（材料学专业论文）femnsi基合金中马氏体的表面浮凸及其逆相变能量的测定.pdf

f e m n s i 基合金中马氏体的表面浮凸 及其逆相变能量的测定 摘要 l 形状记忆合金( s h a p em e m o 巧a l l o y ，简称s m a ) 是一种新兴的 功能材料。自6 0 年代发现至今，已形成n i t i 基，c u 基，f e 基三大 系列形状记忆合金。由于f e 基合金与n i 。t i 和c u 基形状记忆合金相 比具有明显的低成本和易加工性，因而具有重要的潜在商业开发价 值。f e 基合金的形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ，简称s m e ) 直接来源于? ( f c c ) - - - e ( h c p ) 马氏体相变及逆相变，所以，研究马氏体相 变及其逆相变机制对提高f e 基合金形状记忆效应具有指导意义。- - 、， 在本研究工作中，运用原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ， 简称a f m ) 测量马氏体的表面浮凸。运用x 射线衍射( x r a y d i f f r a c t i o n ，简称x r d ) 和差示扫描量热法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n g c a l o r i m e t r y ，简称d s c ) 测定马氏体逆相变所需的能量。主要的研究 结果如下： ( 1 ) 建立了一套运用a f m 测定3 ( f c c ) - - e ( h c p ) 马氏体相变切变角的 方法。通过t h o m p s o n 四面体几何模型来解析试样表面变体的迹 线，从而给出了切变角与浮凸角的关系。 ( 2 ) 应力诱发马氏体主要由同一滑移面上同一方向切变的初始变 体组成，同时存在少量二次变体，其浮凸形态为大落差的台阶状。 ( 3 ) 热诱发马氏体主要由大量的二次变体组成，而它的初始变体是 由同一滑移面上以近似等同的三个切变方向所产生，其浮凸形态 为峰形的台阶状。 ( 4 ) 首次成功地运用x r d 和d s c 方法测定了f e m n s i 基合金马 氏体逆相变所需的能量，在0 5 1 4 应变时为9 6 5 2 j m o l ，1 4 0 应 变时为1 0 2 4 7j t o o l ，3 1 6 应变时为1 0 7 5 6 j m o l 。其中9 6 5 2 j m o l 可近似认为是马氏体逆相变的驱动力。 ( 5 ) 随着应变从0 5 1 4 增大到3 1 6 ，马氏体逆相变所需的能量也 随之增加。 ( 6 ) 马氏体逆相变的驱动力小于马氏体正相变的驱动力。 关键词：表面浮凸、a f m ( 礞再功强粥皖2 ：d s e 疆萄苛璃搐辣s 法夫 x r de 文射线衍射) 、马氏体相变、f e m n s i 基形状记忆合金 a s u r e a 伍n to ft h e s i 爪f a c er e l i e fo f m a r t e n s i t ea n dt h ee n e r g y r e q u i r e d f o ri t s r e v e r s et r a n s f o r m a t l 0 ni nf e m n s ib a s e d s h a p em 匝m o r ya l l o y s a b s t r a c t s h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) i s an e wk i n do f f u n c t i o n a lm a t e r i a l s s i n c e1 9 6 0 s t h r e ek i n d so fs m a sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，s u c ha sn i - t i ，c uo rf eb a s e ds m a s f e b a s e ds m ah a sap o t e n t i a l a p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y d u et oi t sl o w e rc o s t ，b e t t e r m a c h i n a b l ep r o p e r t yi nc o m p a r i s o nw i t hn i t i ，c ub a s e ds m a s s i n c et h es m eo f f e m n - s ib a s e da l l o y so r i g i n a t e sf r o mt h es t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t ea n di t ss m c p ) 斗r ( f c c ) r e v e r s e m a r t e n s i f i ct r a n s f o r m a t i o n ，a s a r e s u l t ，t h e i n v e s t i g a t i o n o f m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mi so f i m p o r t a n c et oi m p r o v et h e i rs m e i nt h i st h e s i s ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) i s e m p l o y e d t oi n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i co fs u r f a c er e l i e fo fm a r t e n s i t ei nf e m n - s ia l l o y ，w h i l eb o t hx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) a n d d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a r eu s e dt om s e a r c h i n t ot h er e q u i r e de n e r g yf o rt h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n n 帕m a i nr e s u l t s a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) am o d i f i e da f mm e t h o df o rt h e d e t e r m i n a t i o no ft h es h e a ra n g l eo f ( f c c ) - * e ( h c p ) m a r t e n s i t i e t r a n s f o r m a t i o nw a s e s t a b l i s h e d t h o m p s o n t e t r a h e d r o na n dg e o m e t r ya n a l y s i sw e r eu s e dt oc a l c i l l m et h ed i r e c t i o n so f v a r i a n tt r a c e so n s p e c i m e ns u r f a c e ，t h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h e a r a n g l ea n dr e l i e f a n g l ew a sd e d u c e d ( 2 ) t h es t r c s s i n d u c e dm a r t e n s i t em a i l l i yc o n s i s t so fi n i t i a lv a r i a n t sw i t ht h e s a n l es h e a rd i r e c t i o no nab a s a lp l a n e ，a c c o m p a n i e dw i t hs o m es e c o n d a r y v a r i a n t s t h ef e a t u r eo fs u r f a c er e l i e fo fm a r t e n s i t ei sc h a r a c t e r i z e db ya f m a st e r r a c e s 、v i t l lb i gf a l l s ( 3 ) t h et h e r m a l i n d u c e d m a r t e n s i t eo b s e r v e d b ya f mc o n s i s t s o fl o t so f s e c o n d a r yv a r i a n t sp r o d u c e db yt h ei n t e r s e c t i o no fi n i t i a lv a r i a n t sw i t h ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) d i f f e r e n ts h e a rd i r e c t i o n so nab a s a lp l a n e i t sm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c a p p e a r sa st e r r a c e sw i t hp e a ks h a p e t h er e q u i r e de n e r g yf o rt h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni sf o rt h ef i r s tt i m e m e a s u r e db ye o m b i n a t i o nx r da n dd s c t h ee n e r g i e sa l e9 6 5 2 j m o j ，10 2 4 7 j m o l a n d1 0 7 5 6 j t o o l r e s p e c t i v e l yc o r r e s p o n d i n gt o0 5 1 4 ，1 4 0 a n d3 1 6 s t r a i no f f e - 2 5 ，0 5 m n - 5 8 4 s i 5 3 5 c r - 0 1 4 na l l o y , w h i l e9 6 5 2 j m o lc a f lb ec o n s i d e r e da st h e d r i v i n gf o r c eo f t h e r e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n t h e r e q u i r e de n e r g yf o rt h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h es t r a i n r a n g i n gf r o mo 5 1 4 t o3 1 6 t h ed r i v i n gf o r c ef o rt h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni ss m a l l e rt h a nt h a tf o r m a r t e n s i t i ct r a r t s f 0 1 t i i a t i o n k e y w o r d s ：s u r f a c er e l i e f , a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) ，d i f f e r e n t i a ls c a r m i n g c a l o r i m e t r yf o s c ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ， f e - - m n - s ib a s e d a l l o y 上海交通大学硕士论文 第一章f e m n s i 基形状记忆台金概述 第一章f e m n s i 基形状记忆合金概述 1 形状记忆合金 1 1 形状记忆合金的发展过程 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，简称s m a ) 是一种新兴的功能材料。 随着温度的变化，它具有对不同温度下形状的记忆效应( s h a p em e m o r y e f f e c t ， 简称s m e ) 。这一现象的发现，可以追溯到三十年代哈佛大学a b g r e n i n g e r 等 学者的报道。g r e n i n g e r 等1 2 j 发现c u z n 合金在加热和冷却过程中，马氏体会随之 收缩与长大。但这种观察到的形状记忆效应只被看作是个别材料的特殊现象，并 没有引起足够的重视。直到1 9 6 3 年发现t i n i 合金具有形状记忆效应之后，对形 状记忆合金材料的研究才进入一个新的阶段。至1 9 7 5 年，相继开发出具有形状 记忆效应的合金达二十多种，有些很快在工业界得到了应用。1 9 7 5 至1 9 8 0 年间， 对形状记忆合金的形状记忆效应机制，以及和形状记忆效应密切相关的相变伪弹 性效应( p s e u d o e l a s t i c i t y ) 机制引起世界各国研究者广泛关注。在形状记忆合金研 究方面所发表的论文数很快跃居马氏体相变研究之最。研究中发现，凡是具有完 全形状记忆效应的合金都具有相变伪弹性效应，有的合金可以实现单程形状记忆 效应( o n e w a ys m e ) ，而有的合金可以实现双程形状记忆效应( t w o w a ys c m ) 。 还发现t i n i 合金等在相变过程中存在着中间相，利用中间相相变的可逆性，不 仅大大地缩小了热滞，且大幅度地改善了材料的疲劳寿命和记忆效应的稳定性。 这些现象的发现，为形状记忆合金的应用开拓了更广阔的前景【3 】。 随着对形状记忆效应机制研究的逐步深入，对相交过程的晶体学可逆性的机 制，对相变过程马氏体变体的组合及其协调动作所形成的自协作方式，基本上已 经得到了一个比较统一的认识。 1 2 形状记忆效应 在晶体材料中，形状记忆效应表现为【4 】：当一定形状的母相样品由a f 以上 冷却至m f 以下形成马氏体后，将马氏体在m f 温度下变形，经加热至a f 以上， 伴随逆相变。材料回自动回复其在母相时的形状，如图1 1 所示。n i t i 合金的 典型可回复应变达7 。 图1 - 1 形状记忆效应示意图 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h es h a p em e m o r ye f f e c t 上海交通大学硕士论文第一章f e m n s i 基形状记忆合金概述 当马氏体变形后经逆相变，能回复母相形状的称为单程记忆效应；有的材料 经适当的“训练”后，不但对母相形状具有记忆，并且在再度冷却时能回复马氏 体变形后的形状，称为双程记忆效应( 一般双程记忆效应并不完全) ，分别如图 1 2 ( a ) 及图1 2 ( b ) 所示。 丁i 氓) z 丁2 丁i 协 矗 嚣 。鲻( b ) 图卜2 单程( a ) 和双程( b ) 形状记忆效应 f i g 1 20 n e - w a ya n dt w o - w a ys h a p em e m o r ye f f e c t 2 f e m n s i 基形状记忆合金 2 1f e - m n s i 基合金研究背景 自6 0 年代发现至今，已形成n m 基、c u 基和f e 基三大系列形状记忆合金 5 1 。 n i t i 合金系记忆性能最好，同时也是研究也最成熟的一种材料，并且具有较 好的抗腐蚀性和耐疲劳性，但是其价格昂贵，熔炼加工困难。c u 基合金则存在 记忆性能不稳定等缺点，同样难以大规模应用【”。 1 9 8 2 年s a t e 等人口首次在f e - m n - s i 单晶中发现了由y ( f c c ) _ ( 1 1 c p ) 马氏体相 变产生的形状记忆效应( s m e ) ，此后在适当m n ，s i 含量下多晶材料也得到了完 全的s m e 降，j 。由于这类合金与n i t i 和c u 基形状记忆合金( s m a ) 相比具有明 显的低成本和易加工性，以及在添加n i ，c r 等后可进一步改善耐腐蚀性能 1 0 , l l 】 等优点，尤其适用作为紧固件的材料，例如石油和水管接头等 1 2 1 3 1 ，因而更具重 要的潜在商业开发价值，备受研究者和工业界的瞩目。 2 2f e m n s i 基合金形状记忆机制 形状记忆材料之中，除了高分子材料是借玻璃态转变或者其他物理条件的激 发以外，金属和陶瓷记忆材料都是通过马氏体型相变而呈现形状记忆效应的 ( s m e ) 1 q 。 罩 夺一攀 il重 罩 上海交通大学硕士论文第一章f e - m n - s i 基形状记忆合金概述 2 2 1 马氏体型相交的基本特征【1 5 1 马氏体型相变为一级相变，具有形核和长大的过程，其基本的特征如下： 1 无扩散的切变型相变； 2 具有形状改变，出现表面浮凸； 3 新旧相沿半共格相界面具有严格的位相关系，保持新旧相之间的原子相互 对应： 4 相界面( 惯习面) 为非简单指数面，它不应变，不转动进行不变平面 应变( i n v a d a n tp l a n es t r a i n ，简称i p s ) ； 5 马氏体内往往具有亚结构。 2 2 2f e m n s i 基合金的马氏体相变机制 n i t i 和c u 基合金为热弹性马氏体相变，其形状记忆效应是通过应力使具有 不同取向的热马氏体变体合并为单一变体，当温度变化时，单变体马氏体长大或 缩小，以此使形状改变 1 6 。而f e m n s i 基合金的马氏体相变为半热弹性马氏体 相变，热滞较大，6 两相界面较为稳定【1 7 1 。其形状记忆效应直接来源于应力诱 发的y ( f c c ) 一( h c p ) 马氏体相变及其逆相变，往往为单程记忆效应f 。 1 低层错能合金中的r ( f c e ) 专s ( h c p ) 马氏体相变特性 f e m n - s i 基合金属低层错能合金，实验揭示了母相晶粒和亚晶粒眵0 1 大小 并不显著影响m s 。在马氏体相变时，弹性模量无显著下降；在加热时，1 6 不全位错能做可逆迁动，但热滞高达1 0 0 k 。 其马氏体相变具有下列特征： ( 1 ) 半热弹性瞄1 1 ( 2 ) 形核不强烈依赖于软模或者局域软模 2 t - 2 3 1 ( 3 ) 层错能主要决定m 。及诱发马氏体的晶界应力，提出层错形核的概念 2 2 , 2 3 1 。 徐祖耀在1 9 9 9 年的国际形状记忆材料会议1 2 3 1 及其他一些国际会议 2 4 , 2 5 的邀 请报告以及综述性论文【2 6 。嚣】中，以不同视角分别总结了这类马氏体相变的特征。 2 y ( f c c ) - - ) s ( h c p ) 的转变特征 y ( f c c ) 相密排面的堆垛顺序为a b c a b c a b c ，而( 1 l c p ) 相的密排面堆垛顺 序为a b a b a b 。y ( f c c ) - s ( h c p ) 相变的晶体学在各种马氏体相变中是最简单的， 可以描叙为以s h o c k l e y 不全位错在每隔一层的密排面上连续滑移的形式来完成 相变的【2 9 】。 在y ( f c c ) 母相转变为s o a c p ) 马氏体时，y ( f c c ) 母相中的层错对形核有很大作用。 早在五十年代，就设想y ( c ) 相中某些全位错可以分解为滑移型的不全位错，其 间所形成的堆垛层错区域，可以作为s ( h c p ) 的核胚，但对核胚的长大方式还未得 到统一的认识，目前主要有以下两种机制： ( i ) s e a g e r 以强铁中孪晶成长的机制，提出相变的极轴机制【3 0 i 。 ( 2 ) 层错( 或不全位错) 自发形核机制最先是由c h r i s t i a n ，o l s o n 和c o h e n 3 1 , 3 2 1 等人所设想，近来徐祖耀等【3 3 】完整地把该设想发展为形核模型。与极轴机制 不同的是，相变过程由层错的不规则堆垛到规则堆垛来完成，并且在相变点， 上海交通大学硕士论文第一章f e - m n s i 基形状记忆合金概述 层错能不为零，而是相变能垒的主要组成部分。 3 f e m n s i 基合金的形状记忆效应的机制 f e m n s i 基合金中面心立方y 相呻密排六相相的马氏体相变为典型的半热 弹性相变【2 1 , 2 2 , 2 4 】。马氏体依靠层错形核【1 7 1 ，其决定于合金的层错几率【2 0 】。 杨建华和w a y m a n 2 9 1 观察到f e m n s i 合金基中马氏体呈自协作形态。并在 马氏体形变时产生次生马氏体，使其应力分布有利于形状回复，认为这类似于 n i - t i 和i ) c u - 基合金中马氏体的再取向1 3 , 1 , 3 5 1 ；因此认为f e - m n s i 基合金中形状记 忆效应的机制大体和s a b u r i 等【3 6 1 所提出的机制相同，只是细节有别。徐祖耀 2 4 , 2 5 , 3 7 】 认为，除形成近似单变体马氏体是呈现形状记忆效应的必备条件外，f e - m n s i 基合金的形状记忆效应不同于n i t i 基合金和1 3 c u 基合金。其中s h o c k l e y 不全 位错的可逆迁动是形状回复的关键；还必须在m d ( 能形成应力诱发马氏体的最 高温度) 以下以应力诱发才能形成近似单变体的马氏体。 图l - 3 表示半热弹性相变合金由y 一呈现的形状记忆效应。f e m n s i 基合 金中由于作间界面移动阻力大，使相变热滞较大( a s m 之1 0 0 k ) ，且双程记忆 效应很小。 芦键翟 加热至爿f 以上l 近似单变体马 l 氏体，问含7 薄层 图卜3 具半热弹性相变合金的形状记忆效应示意图 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l h s t r a t i o no fs h a p em e m o r ye f f e c t o fs e m i t h e r m a l e l a s t i ct r a n s f o r m a t i o na l l o y s 。 2 2 3f e m n s i 基合金中马氏体的形成 根据相变驱动力来源的不同，我们可以把马氏体分为两种。通常我们把通过 拉伸等外加应力场得来的马氏体产物称为应力诱发马氏体，而把通过淬火使温度 场发生变化得来的马氏体产物称为热诱发马氏体。y ( f c c ) 哼( h c p ) 马氏体相变的切 变方式是通过s h o c k l e y 不全位错在每隔一层的 1 1 1 ) ，密排面上连续滑移来完成 的。每个 1 1 1 ，面上有3 个a 6 滑移方向( p n f 虱l 一4 所示) 。 1 应力诱发- 5 氏体 当外加应力大于y ( f c c ) 相中a 6 不全位错的临界切应力t 1 1 2 时，y 相中就 会产生应力诱发马氏体。应力诱发马氏体相变通常是通过单一类型的不全位错的 择优运动，引起单变体的择优生长完成的，并引起相对较大的切应变( 如图1 - 5 所示) 。单变体的切变角可根据公式( 1 。1 ) ，理论值等于1 9 4 7 0 。 t 一蜊2 d ( 1 1 1 m 。， 、 o 卜1 圭塑奎垄奎兰堡主笙奎墨二兰! 塑坚生苎堑鲨望些鱼垒! ! ! ! 一 b = ( u 6 ) 【2 - l b = o 6 ) 嘞 v i e w i n g d | r c c t i 0 1 1 图卜4 同一 1 1 1 y 面上的3 个s h o c k l e y 不全位错 f i g 卜4t h r e es h o c k l e yp a r t i a ld i s l o c a t i o n so na i l l t p l a n e f c c 图1 - 5 应力诱发马氏体相变的切变模式 f i g 1 5 s h e a rm e c h a n is i mo f s tr e s s i n d u c e dr a a r t e n s i t i c tr a “s f o 。m a t i o “ 2 热! ； i i ；嚣m 。以下，热应力的作用能形成热诱发马氏体。理论上各向同性 的执恚嚣鬈型端矗盏客骘槊鬈铹羹嚣；篓呙黝妻芫星，蠹 譬銎襄垄餮毳苎翳j j 端嚣篇牒磐器i 裂霎篙季撼葙銎 螽霁罗罐黼蛊要嚣蒹l 辚嬲意茹鬻鸳蔷篡焉鬈 滑过，则各个变体的形状应变相互抵消，净宏观形状压受为零，呈现目协调批券 1 0 0 3 靼 ：2 d 一 图i 一6 热诱发马氏体相变的切变模式 f i g 1 6 s h e a rm e o h a n i s i mo f t h e r m a l i n d u c e dm a r t a n s i t i ct r 8 n s f o r m a t i o n 上海交通大学硕士论文 第章f e m n s i 基形状记忆合金概述 2 3 影响f e m n - s i 基形状记忆合金形状记忆效应的因素 影响f e m n s i 基合金的形状记忆效应的因素，主要有合金的母 相强度、层错能和反铁磁温度( n e e l 温度) 等。 2 3 1 合金元素的影响 m u r a k a m i h 9 j 等系统地研究了多晶f e m n s i 中m n ，s i 含量对形状 记忆效应的影响( 如图1 7 所示) ，合金中含m n 小于2 0 时，易产 生旺一马氏体，s 和n 一马氏体混合，使原子运动不可逆，将降低形状回 复率；但m n 又升高n e e l 温度。在n o e l 温度以下，t 将由顺磁一) 反 铁磁，在t 中发生反磁有序，使t 稳定化而不易形成马氏体，因此 m n 含量不宜超过3 6 w t 。 m n 音量佃 图l - 7f e - m n - s i 合金中m n 和s i 的含量对形状记忆效应的影响 f 嘻卜7t h ei n f l u e n c eo f a n ds ic o n t e n to ns h a p em e m o r ye f f e c t o ff e m n s i b a s e da il o y s s 寺量w t 图1 _ 8f e 一3 0 m n 中s i 的含量时n e e l 温度的影响 f i g - 1 8 t h ed e p e n d e n c eo fn o e l t e m p e r a t u r eo ns ic o n t e n ti nf e 一3 0 m na ll o y 上海交通大学硕士论文第一章f e - m n s i 基形状记忆台金概述 图1 8 显出s i 对f e 3 0 m n 中n e e l 温度的影响，可见s i 对形状 记忆效应的有利作用为：降低n e e l 温度，使一( f c e ) - - e ( h e p ) 相变不因t 反铁磁有序而受到压抑；强化t ，不易产生滑移；降低t 的层错能， 容易诱发8 相。 在该合金中加入c r 可改善抗腐蚀性能【4 。 各国研究人员作了大量深入细致的工作，并取得了一致的结果：强化基体， 降低层错能可以提高f e m n s i 基合金的形状记忆效应【3 7 ，4 1 4 孙。而n 的加入可 显著增强母相( y ) 的强度。不同的n 含量对f e 2 5 m n 一6 s i 一5 c r 合金 屈服强度的影响如图1 9 所示【4 ”，回归的n 含量与o o2 的定量关系 ( 3 0 0 k ) 如下： g o2 ( m p a ) = 2 9 5 7 + 6 6 1 2 w t n( 1 2 ) 础的哪t o 卅) 图1 9m ：与n 含量间的关系 f i g 1 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e no 。2a n dnc o n t e n t 由此可见，间隙n 原子的加入，显著提高了奥氏体( y ) 的屈服 强度，抑制全位错的大量产生，n 的固溶强化有利于改善合金的形状 记忆效应。 2 3 2 相交温度的测定 五种不同n 含量的f e 2 5 m n 6 s i 5 c r 合金的马氏体相变开始转变温度m s ， 马氏体逆转变开始温度a s 和终结温度a f 以及反铁磁转变温度t n 已被电阻法测 定。图1 一1 0 ( a 、b ) 分别为0 0 0 7 n w t 和0 1 4 n w t 合金电阻的测量曲线。 图l 一11 是上述合金的马氏体相变开始转变温度m 。，反磁铁转变温度t n 与n 含量之间的关系图。由图得到： m s ( k ) = 2 9 2 8 - 3 6 5 8 4 x v e 0 o n( 1 - 3 ) t n ( k ) = 2 3 0 1 1 8 0 3 x w w o n( 1 - 4 ) 由此表明，随着n 含量的增加，m 。和t n 均降低，而a f 和a 。几乎与n 含量 无关。 圭壅奎望查兰堡主鲨塞 篁二皇! ! ! 竺翌堇黧鉴里竖鱼垒壁 ( a ) 1 # 合金( 0 o o t n w t ) 辘牡嵋l m ( b ) 5 # 合金( 0 1 4 n k w t ) 图卜101 # 和5 # 合金电阻的测量曲线 f i g 卜1 0r e s i s t a a c ec u r v e s o f1 # ( 0 ，0 0 7 n w t ) a n d5 # ( 0 1 4 n w t ) a ll o y s ， 。 迥、。 毫 图1 1 1 四种合金的m ：、t ，温度与n 含量的关系 f i g 1 - 1 1 r e l a ti o n s h i pb o t w e o nm ”t _ a n dnc o n t o n t i nf o u ra ll o y s 一8 苫一拿譬 2一jn暮&。p 上海交通大学硕士论文第一章f e - m n s i 基形状记忆合金概述 2 3 3 热机械( 力学) 训练对s m e 的影响 1 形状恢复率的测定方法 用电火花切割机将板材割成1 2 0 n a m ( l ) 5 m m ( w ) 的拉伸试样，经1 0 7 3 k 的水淬处理，然后去掉表面的脱锰层。测量合金记忆效应时，在室温进行拉伸， 然后将其在8 7 3 k 保温1 0 m i n 后空冷，测量试样长度的变化。合金的形状记忆效 应用合金的形状恢复率来表征，其表达式为： 口= 瓦4 - l 2 x 1 0 0 ( 1 5 ) l o 、l i 、l 2 分别是试样的原始长度，拉伸后的长度以及恢复后的长度，”( ) 值表示合金的形状记忆效应。 2 训练方法 在室温对试样进行拉伸获得3 的应变( 该值已通过不同预应下的n ( ) 测量确定为较佳值) ，然后在8 7 3 k 保温1 0 m i n 后空冷至室温，测量1 1 ( ) 值为 一次训练后的形状恢复率。然后再拉伸获3 应变后加热至8 7 3 k 保温1 0 m i n 后 空冷，再测量t 1 ( ) 值为二次训练后的形状恢复率，依次类推得n 次训练后的 形状恢复率。 3 训练次数对s m e 的影响 k i k u c h i 等1 4 s 发现，经训练后的f e 1 4 m n s i 一9 c r - 5 n i 合金中，出现极细( 宽 度l - 2 n m ) 的马氏体。细马氏体片形成时所产生的形状应变可由母相基体的弹 性协作。他们指出，马氏体母相间界面的弹性能可作为逆相变的部分驱动力， 这有利于形状记忆效应。 i n a g a k i 【4 6 】对f e 一1 4 m n s i 一9 c r - 5 n i 合金的电镜观察发现，训练使形成接近单 变体的马氏体。徐祖耀已经由群论导得：获得马氏体相变晶体学可逆性的条件， 是形成单变体的马氏体 4 7 1 。 采用3 预应变来进行训练，得到训练次数对形状记忆恢复率”的对应关系， 结果如图1 1 2 所示1 4 4 1 。 图卜1 2 训练次敷对形状恢复率的影响 f t g 卜1 2t h es h a p er e c o v e r yr a t eu n d e rd i f f e r e n tt r a i n i n gn u m b e r s o鼍扣孟，8静叁置鲁 上海交通大学硕士论文第一章f e - m n s i 基形状记忆合金概述 图1 1 2 给出一个重要结果，对矿( o 1 2 w t n ) 和岁( o 1 4 州n ) 合金只 需两次训练即可得到完全的形状记忆效应( n = 1 0 0 ) ，这表明n 的强化对形状 记忆效应起主导作用，部分克服了其提高层错能的负面效应，从而改善了合金的 形状记忆效应，同时，这预示着当记忆合金加工成具体零件时，尺寸控制的难度， 加工成本将大为降低，为合金工业的应用提供了前景【4 8 1 。 2 4f e - m n s i 基合金的马氏体相变机制的研究办法 2 4 1 马氏体表面浮凸 马氏体相变的一个主要特征是会在预先抛光的试样表面上形成浮凸，呈现出 相变的不变平面应变本质【4 卿。不同的浮凸对应着不同的马氏体相变切变角，从 而联系到不同的相变机制。因此，通过浮凸角的测量获得对应的切变角是研究马 氏体相变特征的重要方法之一。 2 4 2 相变潜热 相变潜热是指单位质量的物质在恒温恒压下从一个相转变为另一个相的过 程中所吸收或者放出的热量，有时候将它简称为潜热。不同的相变对应着不同的 相变潜热。因此，对马氏体正逆相交潜热的测量对探讨马氏体相变机制有着重大 意义。 3 本研究的意义与研究内容 宏观的浮凸角能间接反映出马氏体相变的微观形核机制。因此，浮凸角的测 量显得十分有意义。传统的测量方法就是光学干涉法，但是精度太低。a f m 的 横向分辨率可达0 1 n m ，纵向分辨率可达0 o l n m l 5 0 j ，其优越的分辨性能为浮凸 角度的精确测量提供了可能。但是实验中测得的浮凸角均与理论值有较大的差 异，究其原因，就是马氏体相变的惯习面与试样自由表面之间存在位向差。因此， 消除位向差就成了研究的关键。 l i u 和k a j i w a r a s l 】利用由t a k e u c h 创造的并由k a j i w a r a 发展的滑移线定向与 极图的方法【5 2 j 对浮凸角进行修正。鉴于极图方法的操作比较繁琐，本文试图从 晶体学的角度出发，通过构造几何模型，设置参数，建立方程组的方法来进行求 解，并且用修正过的浮凸角度对y ( f c c ) _ e ( h c p ) 相变的机制进行了初步探讨。 f e m n s i 基合金的形状记忆效应来源于应力诱发马氏体的正逆相变，马氏 体逆相变的难易程度直接影响合金的形状记忆效应。对马氏体逆相变所需能量的 测定未见报道。为此，我们将应用x 射线衍射( x - r a yd i f f r a c t i o n ，简称x r d ) 结合差示扫描量热法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ，简称d s c ) 来测定不同 应变下马氏体形成所需的热量，和f e m n s i 基合金马氏体逆相变的驱动力，据 此讨论y ( f c c ) o l c p ) 马氏体相变和逆相变驱动力的差异。 l 海交通大学硕士论文第一章f e m n - s i 基形状记忆台金概述 参考文献 1 徐祖耀：马氏体一百年，上海金属：v o l l 7 ，n o6 ，n o v1 9 9 5 ，p l 2 g r e n i n g e ra b ，m o o r a d i a nv _ g ，t r a n s a i m e ，1 9 3 8 ，1 2 8 ：3 3 7 3 杨杰，吴月华：形状记忆合金及其应用，中国科学技术大学出版社：1 9 9 3 ， p 9 1 0 4 徐祖耀，江伯鸿，杨大智等：形状记忆材料，上海交通大学出版社，2 0 0 0 5 沈利群，周涟庚：形状记忆合金的应用现状，上海金属：v o l1 8 ，n o6 ，n o v 1 9 9 6 ，p 3 3 6 刘向军，陈士仁：不锈铁基形状记忆合金的研究现状和前景，材料导报：1 2 ( 1 9 9 8 ) ，( 6 ) ，p 1 9 7 a s a t o ，e c h i s h i m a ，k s o m aa n dt m o r t ：s h a p em e m o r ye f i e c ti nv 弓 t r a n s f o r m a t i o ni nf e 一3 0 m n 一1 s ta l l o ys i n g l ec r y s t a l s ，a c t am e t n l ，3 0 ( 1 9 8 2 ) ， 1 1 7 7 8a k i k a z us a t oa n dt s u t o m u m o r i ：d e v e l o p m e n to f as h a p em e m o r y a l l o yf e m n s i ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，a 1 4 6 ( 1 9 9 1 ) ，1 9 7 2 0 4 9 s k a j i a r a ：c h a r a c t e r i s t i c f e a t u r e so f s h a p em e m o r y e f i e c ta n dr e l a t e d t r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o ri nf e - b a s e d a l l o y s ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ， a 2 7 3 2 7 5n 9 9 9 ) 6 7 8 8 】0 h o t s u k a ，h y a m a d a ，h t a n a h a s h ia n d m a r u y a r n a ：p r o c i n t c o n f m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，s y d n e y ，1 9 8 9m a t e r i a l ss c i e n c ef o r u m ，v 0 1 5 6 5 8 ( 1 9 9 0 ) ，p t i i ，6 5 5 11 h o t s u k a ，h y a m a d a ，t m a r u y a m a ，ht a n a h a s h i s m a t s u d aa n dm m u r a k a m i ：i s i ji n t e r n a t i o n a l ，3 0 ( 1 9 9 0 ) ，6 7 4 1 2h o t s u k a ，tm a r u y a m aa n dh k u n o ：i na d v a n c e dm a t e r i a l s 9 3 ，v b ：s h a p e m e m o r ym a t e r i a l sa n dh y d r i d e s ，e d s k o t s u k a ，e ta 1 ，t r a n s m a t r e s s o c j a p a n ，18 bf 1 9 9 4 ) ，1 1 4 9 1 3 s f u k u y o ，r c l s a c h d e v aa n de s a i r e n j i ：t h ep e r i or o o ti m p l a n t ( p p d ) ，i n 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 a d v a n c e dm a t e r i a l s 9 3 ，v b ：s h a p em e m o r ym a t e r i a l sa n dh y d r i d e s