（材料物理与化学专业论文）ti44ni47nb9形状记忆合金管材组织、相变与织构的研究.pdf

r at h e s i si nm a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y s t u d y o nt h em i c r o s t r u c t u r e ，p h a s e t r a n s f o r m a t i o na n dt e x t u r eo f 一。4 7 n b 9 1r a no ra u o na n1e x t u11 4 4 - n1 4 7 - n0 i s h a p em e m o r ya l l o yt u b e s b yl i n g x i al i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry i n gy a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 p- _一ljr 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 此 思。 学位论文作者签名：荟豁i i 改 日期：汕秒7 弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半日两年口 学位论文作者签名：菇淤傻 导师签名：颜益 签字日期：山。8 - 7 q l 弓 签字日期：如8 丫 垆 - ，7 ， l 、 ：l r 一 东北大学硕士学位论文 摘要 ti ni 。，n b 。形状记忆合金管材组织、相变与织构的研究 摘要 删i 4 7 n b 9 形状记忆合金相变滞后宽、加工性能好，用其制成的记忆合金连接件和 紧固件，可在常温下存储和运输，工程应用十分方便。因此，在航空、航天、石油化工 等领域有很好的应用前景。管接头和紧固件是利用其特定方向上的形状记忆效应来实现 与被连接件的过盈连接，而织构的形成使记忆行为呈现各向异性。目前，有关删h t n b 9 合金织构的研究报道极少，也未见有关酬i 4 7 n b 9 形状记忆合金管材的组织、相变和织 构的研究报道。 本文利用金相显微镜( o m ) 、示差扫描量热法( d s c ) 和x 射线衍射( x r d ) 等， 系统研究了n 洲h t n b 9 合金热锻棒、热挤压和冷轧管材的组织、织构和相变以及热处理 对它们的影响，为工程的应用提供实验数据和优化工艺参数，同时为进一步揭示择优取 向影响合金力学行为和记忆行为的机理打下基础。 显微组织研究表明：热锻棒材中的b 2 相沿轴向呈较宽的纤维状，热挤压管材中b 2 相纤维组织变细且发生碎化，冷轧管材的组织由b 2 、i b - n b 和( t i ，n b ) 4 n i 2 0 相组成，其中 b 2 相纤维组织发生严重碎化。冷轧管材的再结晶开始温度约为4 0 0 ，且随淬火温度升 高，b 2 相晶粒尺寸逐渐减小，达到6 0 0 以后，一些再结晶晶粒发生长大，8 5 0 时晶粒 明显长大。 相变研究表明：热挤压管材随淬火温度升高，相变点升高，热滞变化不明显。随退 火温度升高，m 。点下降，a 。变化不大，热滞增大：冷轧管材中组织的细化和内部缺陷抑 制了冷却过程中马氏体相变的进行，热循环过程中未发生相变，淬火温度超过4 0 0 后， 再结晶减少了b 2 相中的缺陷，促使热循环过程中发生相变，且随淬火和退火温度的升高， 相变点升高，热滞下降。 织构分析结果表明：热锻棒材主要织构接近 112 ) ( 111 ) 和 123 ) ( 111 ) ；热 挤压管材中多数晶粒的取向靠近 l11 ( uvw ) ，经6 0 0 。c 9 0 m i n 淬火后，主要织构组 分仍接近 111 ) ，但强度提高，而退火后有些晶粒的取向还靠近 221 ) 和 21l 。8 5 0 淬火后，主要织构组分接近 l12 ) ( 1lo ) ，退火后 112 ) ( 1 1o 织构组分增强， 同时还出现 1l2 ) ( 120 ) 强组分；冷轧管材的主要织构为 1l1 ) ( 1l0 ) 和 112 ) ( 1lo ) ，经6 0 0 热处理后织构组分不变，但强度增强，尤其是退火。8 5 0 淬火，主 要织构强度下降，面取向基本靠近 1l2 ) 和 221 ，退火后，晶粒取向明显偏离 ll1 i i 摘要 粒的长大有关。 热滞高达5 0 3 6 。c ，多数晶粒的( 1 11 ) 冷轧管；组织；相变；织构 4 一 矗 ，” 东北大学硕士学位论文 a b st l a c t s t u d yo n t h em i c r o s t r u c t u r e ，p h a s e t r a n s f o r m a t i o na n dt e x t u r eo ft i 4 4 n i 4 小m 9 s h a p em e m o r ya l l o yt u b e s a b s t r a c t t h 4 n h t n b 9s h a p em e m o r ya l l o yh a sw i d et h e r m a lh y s t e r e s i sa n de x c e l l e n tp r o c e s s i n g p e r f o r m a n c e t h es h a p em e m o r yc o n n e c t i n ga n df a s t e n i n gp a r t sm a d eb yt h ea l l o yc a nb e s t o r e da n dt r a n s p o r t e da tr o o mt e m p e r a t u r e ，s ot h e i ra p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gi sv e r y c o n v e n i e n c e t h e r e f o r e ，t l l e yw i l l b e w i d e l ya p p l i e d t ot h e a v i a t i o n , s p a c e f l i g h t ， p e t r o c h e m i s t r yf i e l d s t h ej o i n t i n go ft h e m 、析t l lt h ec o n n e c t e dp a r t si sc a r r i e do u tb yt h e s h a p em e m o r ye f f e c t si nag i v e nd i r e c t i o n ，a n dt h et e x t u r ef o r m a t i o nr e s u l t si na n i s o t r o p yo f s h a p em e m o r yb e h a v i o r s a tp r e s e n t ，t h es t u d yo nt i 4 4 n i 4 7 n b 9a l l o yt e x t u r ei sv e r yf e w , a n d t h es t u d yo nm i c r o s t r u c t u r e ，p h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt e x t u r eo ft i 4 4 n i 4 j n b 9s h a p em e m o r y a l l o yt u b e sh a sn o tb e e nr e p o r t e di np u b l i cy e t i nt h i st h e s i s ，t h em i c r o s t r u c t u r e s ，t e x t u r e sa n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n si nt h ef o r g e dr o d ， h o t e x t r u d e dt u b ea n dc o l d - r o l l e dt u b eo ft i 4 4 n h 7 n b 9a l l o ya n di n f l u e n c eo fh e a tt r e a t m e n to n t h e mw e r ei n v e s t i g a t e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，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 n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x z d ) i nd e t a i l s t h ea i mi st op r o v i d ee x p e r i m e n t a ld a t a , o p t i m i z e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o ri t sa p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g ，a tt h es a m et i m e ，a n dt ol a yt h e f o u n d a t i o nf o rr e v e a l i n gt h em e c h a n i s mt h a tp r e f e r e n t i a lo r i e n t a t i o ne f f e c t sm e c h a n i c sa n d m e m o r y b e h a v i o r so fs h a p em e m o r ya l l o y s m i c r o s t r u c m r a ls t u d i e ss h o wt h a tb 2p h a s ei nt h ef o r g e dr o dh a sb r o a df i b r e ds h a p e ，a n d b 2p h a s ef i b r ei nt h eh o t - e x t r u d e dt u b eb e c o m e sf i n ea n dh a sb e e nb r o k e n ，a n dt h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o l d - r o l l e dt u b e sc o n s i s t so fb 2 ，1 3 - n ba n d ( t i , n b ) 4 n i 2 0p h a s e ，b 2 p h a s ef i b r eh a sh e a v i l yb e e nb r o k e na n di t sg r a i ns i z eb e c o m e sm o r ef i n e r r e c r y s t a l l i z a t i o n s t a r t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ec o l d - r o l l e dt u b ei sa b o u t4 0 0 c ，w i t ht h ei n c r e a s eo fq u e n c h i n g t e m p e r a t u r e ，t h eg r a i ns i z eo fb 2p h a s ed e c r e a s e s ，a f t e rq u e n c h i n gt e m p e r a t u r er e a c h e s6 0 0 c ， s o m er e c r y s t a l l i z e dg r a i n sh a v eg r o w nu p v g h e nt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 。c ，t h e g r a i ng r o w t hi sv e r yo b v i o u s p h a s et r a n s f o r m a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tp h a s et r a n s f o r m a t i o np o i n t so ft h eh o t e x t r u d e d i v ，j弋 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t u b e si n c r e a s e 、析t ht h ei n c r e a s eo fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e t h e r m a lh y s t e r e s i si sb a s i c a l l y c o n s t a n t w i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，m s p o i n td e c l i n e s ，a sp o i n tc h a n g ei sn o t o b v i o u s ，t h e r m a lh y s t e r e s i si n c r e a s e s t h e r ei sn op h a s et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gt h e r m a lc y c l e f o rt h ec o l d - r o l l e dt u b e sd u et of i n eg r a i n sa n dal o to fd e f e c t si n s i d eg r a i n s w h e nt h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e i sm o r et h a n 4 0 0 ，p h a s et r a n s f o r m a t i o n s o c c u rb e c a u s e r e c r y s t a l l i z a t i o nr e d u c e sd e f e c t si nb 2p h a s e ，a tt h es a m et i m e ，谢t ht h ei n c r e a s eo ft h e q u e n c h i n ga n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s ，t r a n s f o r m a t i o np o i n t sg ou pa n dt h e r m a lh y s t e r e s i s d r o p s t e x t u r ea n a l y s e ss h o wt h a tm a i nt e x t u r ec o m p o n e n t so ft h ef o r g e dr o da r en e a r 11 2 a n d 123 o r i e n t a t i o n so f m a n yg r a i n sa r ec l o s et o 111 ) i nt h e h o t e x t r u d e dt u b e ，t h et e x t u r e so ft h eh o t e x t r u d e dt u b eq u e n c h e da t6 0 0 。ca r es t i l lc l o s et o 1 1 1 ，b u ti n t e n s i t ym a r k e d l ye n h a n c e s a n dp l a n eo r i e n t a t i o n so fs o m eg r a i n so ft h e a n n e a l e dh o t - e x t r u d e dt u b ea r ec l o s et oo n to n l y 221 ) a n d 21 1 ，b u ta l s o 111 ) w h e n t h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei s 8 5 0 。c ，t h em a i nt e x t u r ec o m p o n e n t sa r ec l o s et o 112 ) ，b u tf o ra n n e a l e dh o t - e x t r u d e dt u b e ，t h et e x t u r ec o m p o n e n te n h a n c e s ，a n d 11 2 ) c o m p o n e n ta p p e a r sa l s o i nt h ec o l d - r o l l e dt u b e t h em a j o rt e x t u r ec o m p o n e n t sa r e 111 ) a n d 112 ) ，t h ea b o v et e x t u r ec o m p o n e n t si nt h ec o l d t u b et r e a t e da t 6 0 0 。cd on o tc h a n g e ，b u ti n t e n s i t ye n h a n c e s ，e s p e c i a l l yi nt h ea n n e a l e dc o l d r o l l e dt u b e w h e nq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 。c ，t h ei n t e n s i t yo f t h em a i nt e x t u r ec o m p o n e n t sw e a k e n s ， a n dp l a n eo r i e n t a t i o n so fm a n yg r a i n sa r ec l o s et o 11 2 a n d ( 221 ，a n dt h em a i n t e x t u r e c o m p o n e n t so b v i o u s l yd e p a r tf r o m 111 ) a n d 112 ， f o rt h ea n n e a l e d c o l d r o l l e dt u b e w h i c hi sa s s o c i a t e dw i t hg r a i ng r o w t hd u r i n gh e a tt r e a t m e n t m so f t h ec o l d - r o l l e dt u b ea n n e a l e da t6 0 0 i s - 1 1 1 7 0 ，t h e r m a lh y s t e r e s i si s5 0 3 6 ， o r i e n t a t i o n so fm a n yg r a i n sa r ep a r a l l e lt ot h er a d i a ld i r e c t i o no ft h et u b e s w h i c ha r e b e n e f i c i a lt ot h ea p p l i c a t i o no ft h ea l l o yi ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：t i , 1 4 n i 4 7 n b 9s h a p em e m o r ya l l o y ；t h eh o t - e x t r u d e dt u b e ；t h ec o l d - r o l l e dt u b e ； m i c r o s t r u c t u r e ；p h a s et r a n s f o r m a t i o n ；t e x t u r e v 一 协 r j， 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 形状记忆合金概述l 1 1 1 形状记忆合金的发展1 1 1 2 形状记忆效应和热弹性马氏体相变2 1 1 2 1 形状记忆效应2 1 1 2 2 热弹性马氏体相变3 1 1 - 3 形状记忆合金主要分类6 1 1 3 1 铁基形状记忆合金6 1 1 3 2 铜基形状记忆合金6 1 1 3 3t i - n i 基形状记忆合金7 1 2 酬i 4 7 n b 9 形状记忆合金概述8 1 2 1t i 4 4 n i 4 7 n b 9 合金的马氏体相变8 1 2 2t i 4 4 n i 4 7 n b 9 合金制备工艺9 1 2 3t i “n i 4 7 n b 9 合金相变滞后机制9 1 2 4t i 洲i 4 7 n b 9 合金相变温度的控制lo 1 2 5 删i 4 7 n b 9 合金的恢复应变1 0 1 2 6t i 4 4 n i 4 7 n b 9 合金应用概况1 1 1 - 3 织构1 1 1 3 1 晶体学织构1 1 1 3 2 热变形织构1 2 1 3 2 1 铸造织构1 2 1 3 2 2 热加工织构1 2 1 3 3 冷变形织构12 1 一 东北大学硕士学位论文 目录 1 3 3 1 轧制织构1 3 1 3 3 2 拉拔织构1 3 1 3 3 3 剪切织构1 3 1 3 4 再结晶织构13 1 3 4 1 金属的再结晶1 4 1 3 4 2 再结晶织构的形成机制1 4 1 3 5t i - n i 基形状记忆合金织构的研究概况1 4 1 3 6 织构对形状记忆应变的影响1 5 1 3 6 1 单晶取向对形状记忆应变的影响1 5 1 3 6 2 多晶择优取向对形状记忆应变的影响1 6 1 4 本文研究目的及研究内容1 7 第2 章实验材料、样品及实验方法1 9 2 1 实验材料1 9 2 2 样品制备1 9 2 2 1 硬度测试样品1 9 2 2 2d s c 样品2 0 2 2 3 织构样品2 0 2 2 4 金相样品2l 2 3 实验方法21 2 3 1 硬度测试2l 2 3 2d s c 的测定2 1 2 3 3 织构测定2 2 2 3 4 金相观察2 2 第3 章t i4 4 ni4 ，n b 。形状记忆合金管材组织与相变的研究2 3 3 1 引言2 3 3 2t i 洲i 4 7 n b 9 合金管材的显微组织2 3 3 2 1t i 4 4 n i 4 7 n b 9 合金冷轧管材的相组成2 3 3 2 2 加工工艺对t i 斜i 4 7 n b 9 合金管材显微组织的影响“2 4 3 2 2 1 变形方式对t i 4 4 n i 4 7 n b 9 合金管材组织的影响2 5 - 2 r 一 髓 p 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 2 2t i 洲i 4 7 n b 9 合金冷轧管材再结晶开始温度的测定2 6 3 2 2 3 热处理对t i 洲i 4 7 n b 9 合金管材组织的影响2 7 3 3 热处理对t k n i j 4 7 n b 9 合金管材相变的影响3 3 3 3 1 热处理对t i 4 4 n i 4 7 n b 9 合金热挤压管材相变的影响”3 3 3 3 2 热处理对t i 洲i 4 7 n b 9 合金冷轧管材相变的影响”3 5 3 4 本章小结4 0 第4 章t i4 4 ni4 ，n b 。形状记忆合金管材织构的研究4 l 4 1 引言4 1 4 2 晶粒取向分布函数( o d f ) 中的欧拉变换4 1 4 3 变形方式对t i 4 4 n “7 n b 9 合金织构的影响4 3 4 4 热处理对t i 洲i j 4 7 n b 9 合金管材织构的影响4 7 4 4 1 热处理对酬i 4 7 n b 9 合金热挤压管材织构的影响一4 7 4 4 2 热处理对t i 州i 4 7 n b 9 合金冷轧管材织构的影响一5 0 4 5 本章小结5 4 第5 章结论5 5 参考文献5 7 致谢6 3 3 。， r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 形状记忆合金概述 第1 章绪论 形状记忆合金( s h a p em e m o r y a l l o y s ，s m a ) 作为一种智能型功能材料，其主要特 点是给材料施加一个较大的变形后卸载，加热到一定温度时能恢复到原来的形状。形状 记忆合金的这种奇妙的特性受到了材料学家和物理学家的广泛关注，各国学者以极大的 热情和兴趣对其进行广泛的研究，其开发应用更是方兴未艾。 1 1 1 形状记忆合金的发展 形状记忆合金的发展经历了以下三个阶段【1 】： ( 1 ) 萌芽阶段( 2 0 世纪3 0 年代至6 0 年代) 。这一阶段是形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ) 的发现阶段。早在2 0 世纪3 0 年代，人们就已经发现了形状记忆效应。1 9 5 1 年，张禄经和r e a d 2 j 应用光学显微镜观察到：a u 4 7 5 a t c d 合金中，低温相马氏体和 高温母相之间的界面随温度下降向母相推移( 母相一马氏体) ，随温度上升向马氏体推 移( 马氏体一母相) ，这是最早观察到形状记忆效应的极端例子。当时未以形状汜忆命 名，也未引起功能应用的重视。在这三十年里，人们相继在c u z n 、i n t i 等合金中发现 了形状记忆效应，但这时人们还仅仅把它看成是个别材料中的特殊现象，并未引起足够 的重视。 ( 2 ) 发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代末) 。六十年代初，美国海军实验室的 b u e h l e r wj 博士研究小组偶然间发现了近等原子比n i t i 合金具有良好的形状记忆效应， n i t i 合金( 当时作为阻尼材料开发研究) 在室温( 马氏体态) 经形变( 弯曲) 、再经加 热( 与点燃的香烟火苗接触，发生逆相变：马氏体一母相) 后，自动回复母相态形状( 自 动弹直) ；由于累积了马氏体相变的知识，他们悟到了这类合金( 具有热弹性马氏体相 变的合金) 在马氏体态变形，经逆相变，能自动回复母相形状，于是命名为形状记忆。 从此，形状记忆合金及“n i t i n o l ”( 指n i t i n a v y o r d n a n c e 1 a b o r a t o r y ) 的名声不胫而走， 形状记忆合金材料的研究进入了新的阶段。自从g r u m m a n 公司于1 9 6 9 年首次将n i t i 制成管接头应用于美国f 1 4 战斗机的发动机上【3 1 ，大大激励了国际上形状记忆合金的研 究与开发。2 0 世纪7 0 年代以来已开发出n i t i 基、c u a 1 n i 基和c u z n a i 基形状记忆 合金，研究了其他一些合金及含z r o 的陶瓷材料的形状记忆效应。同时对形状记忆效应 的机制以及与之密切相关的相变伪弹性效应( 超弹性) 进行了广泛的研究，发现了双程 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 形状记忆效应、全方位形状记忆效应、r 相变等现象，为形状记忆合金的应用开拓了广 阔的前景。 ( 3 ) 成熟阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) 。进入8 0 年代之后，科研工作者突破了n i t i 合金研究的难题，从此，形状记忆合金的研究成了材料科学领域的热门课题。而且，形 状记忆合金开始进入工业化和实用化阶段。到目前为止，有关形状记忆合金的专利申请 已逾万件，实际应用的例子数百例，其应用范围涉及电子、机械、航空、能源、交通、 医疗等，几乎包含了产业界的所有领域，并且取得了良好的效应。据不完全统计，世界 上关于形状记忆合金的专利已超过5 0 0 0 项【3 1 。 从材料分类看，其发展阶段又大致经历了n i t i 合金的开发应用( 6 0 - 8 0 年代) ，c u 基合金的开发应用( 7 0 8 0 年代) 和f e 基合金的开发应用( 8 0 - 9 0 年代) 。近年来形状 记忆合金研究所取得的进展也主要体现在为n i t i 基、c u 基和f e 基形状记忆合金开发 应用所进行的基础研究，以及新型合金特别是高温形状记忆合金的探索上【3 1 。 我国自1 9 7 8 年开始形状记忆合金的研究以来，在某些方面如热弹性马氏体相变理 论和t i n i 合金的医疗应用已居世界领先水平【1 1 。但与美国、同本等形状记忆合金生产大 国相比，无论是产品生产工艺、产量、质量，还是产品的种类都有较大差距。最近几年， 由于我国经济的发展，研究资金投入的加大，形状记忆合金研究在基础研究和产品开发 上都有了很大进展。 1 1 2 形状记忆效应和热弹性马氏体相变 1 1 2 1 形状记忆效应 形状记忆效应即指在低温变形后加热，变形恢复，合金回到原高温形状的现象。具 有这种形状记忆效应的材料通常是由两种以上金属元素组成的合金，称作形状记忆合 金。该效应被认为主要与一种特殊的马氏体相变，即热弹性马氏体相变有关。热弹性马 氏体相变被认为具有如下特征：相变需要的驱动力很小( 表现的温度滞后也相应很小， 通常只有几度或几十度) ；相变切变是通过孪生方式：马氏体核的形成和生长不伴随有 位错的增殖和滑移，合金内部缺陷仅仅为孪晶( 层错) ，因而母相与马氏体界面以及马 氏体变体间可以移动；马氏体量是温度的函数，温度下降，马氏体变体长大，相反温度 升高，马氏体变体缩小；晶体学可逆，就是说升温逆相变后母相不仅晶体结构不变，而 且晶体位向也回复。形状记忆效应可以分为三种【4 】： ( 1 ) 单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的 形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。因为双程、全程记 2 - ， 舢 广 _ j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 忆效应应用较少，所以通常所说的形状记忆效应就是指单程记忆效应。 ( 2 ) 双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形 状，称为双程记忆效应。 ( 3 ) 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的 低温相形状，称为全程记忆效应。 大多数情况下，s m e 是单程的，也就是说，冷却过程中，虽然有相变发生，但s m a 不能产生形状变化。马氏体因承受应力而发生的塑性变形，只有当它加热时才能消除。 再冷却时，马氏体并不自发地发生形变，如果要再得到形状回复的效果，必须人为地使 其发生形变，也就是我们所提到的预变形。 1 1 2 2 热弹性马氏体相变 形状记忆合金经高温加热后骤冷获得以马氏体( m a r t e n s i t e ) 为主的非平衡组织，由 于马氏体相对称性差且相界面容易移动，所以较容易使移动路径调转方向往回走，发生 向有序晶格逆转，也使其外形恢复到原先的状态，即发生形状记忆效应，这种相变称为 热弹性型马氏体相变。 一般形状记忆合金具有热弹性马氏体相变，因而具有形状记忆效应和超弹性，其具 体表现与应力和温度有关，如图1 1 所示。图中的曲线a 和b 分别表示高和低滑移临界 应力，曲线c 表示诱发马氏体临界应力，m 。、m f 为马氏体相变的开始和结束温度，a 。、 a f 为逆相变的起始和结束温度。自a 。以下加热到a f 以上可出现形状记忆效应，而超弹 性( s u p e r e l a t i c i t y ，s e ) 出现在a f 以上，在a 。一a f 温度范围内，形状记忆效应和超弹性 部分出现。因为滑移绝不会因为加热或卸载而恢复，其应力必定低于出现形状记忆效应 和超弹性的线，显然，如果临界应力低于b 线，则超弹性不会出现，因为在应力诱发马 氏体之前已经发生了滑移【4 】。对于形状记忆合金的热弹性马氏体相变可以通过热诱发、 应力诱发和应变诱发而产生。 ( 1 ) 热诱发马氏体相变 马氏体相变是无扩散型晶格相变，也是由于剪切位移而改变晶体结构的相变。在低 于马氏体相变点m 。温度下，随着冷却马氏体长大，系统的热力学化学自由能减少，同 时由于相变时产生的原子剪切位移，使系统产生非化学自由能的弹性能增大。当自由能 减少与弹性能增加之和达到某一极小值时，马氏体停止长大，热效应与弹性效应达到平 衡状态，可通过加热或者弹性应力来破坏热平衡，即只有当马氏体过热到t o ( 母相与马 氏体自由能相等时对应的温度) 以上温度a 。时，在相变驱动力作用下，马氏体缩小的 逆转变过程才能开始。这种马氏体长大或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件制约 _ 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的相变称为“热弹性马氏体相变”。相变并不是发生在某一温度点，而是一个温度范围， 不同的合金系具有不同的温度范围。图1 2 显示了相变特性及相变循环中的关键点m 。、 m f 、a s 和a f 。 图1 1 形状记忆效应和超弹性区域在应力温度关系示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs m ea n ds er e g i o n sa tt h ec u r v eo fs t r e s s t e m p e r a t u r e m f m sa s a f t 娜t u t e 图1 2 马氏体转变量和试样长度与温度的关系曲线 f i g 1 2r e l a t i o n s h i pc u r v e sb e t w e e nv o l u m eo fm a r t e n s i t e ，l e n g t ho ft h es a m p l ea n dt e m p e r a t u r e ( 2 ) 应力诱发马氏体相变 应力诱发马氏体相变是在m 。点以上由外加应力提供机械驱动力来补偿部分化学驱 动力的不足，使马氏体相变得以进行。马氏体的成核位置与m 。点以下热诱发马氏体相 变时的成核位置相同，并且应力诱发马氏体与热诱发马氏体一样，在形成时为减小相变 形状应变，变体间相互协调，多呈自协作形态。此外，在外应力作用下，相对于外应力 处于有利位向的那些成核位置优先发生相变。 g a l lk 等人【5 】研究得到单晶应力诱发马氏体相变的理想应力一应变曲线，如图1 3 4 - 产 肚 产 qld暑锈皇=o董罂叶_ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 所示。在低应力作用下，b 2 母相发生弹性变形，见图1 3 ( a ) 。达到临界应力时发生应 力诱发马氏体相变( 图1 3 ( b ) ) ，其内部结构为孪晶，称这种新生结构为相应马氏体变 体对( c v p ) 。随着变形的继续进行，马氏体发生部分去孪晶过程( 图1 3 ( c ) ) ，此时 变体间相互协调向外力方向转变，发生马氏体再取向，惯习面被破环，孪晶的晶界会对 单晶马氏体的生长起阻碍作用。当去孪晶过程结束时，发生再取向的马氏体形成单晶体， 见图1 3 ( d ) ，接着单晶马氏体发生弹性变形。马氏体的再取向对形状记忆应变有较大 的贡献。 图1 3n i t i 单晶应力诱发马氏体相变的理想应力应变曲线 f i g 1 3i d e a ls t r e s s - s t r a i nc u r v eo fs t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni ns i n g l ec r y s t a ln i t i 图1 4 显示了热诱发和应力诱发马氏体相变产生形状记忆效应的示意图。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，根据惯习面不同，热弹性马氏 体可分为2 4 种不同取向的变体，热诱发马氏体的不同变体会通过自协作，相互协调抵 消了相变时产生的形状变化，宏观上表现为形状不变化。当在a s 以上加载( 发生应力 诱发马氏体相变) 或在m f 以下加载，使马氏体变体受外力作用变形，通过有利取向的 变体长大，不利取向的变体缩小，发生马氏体再取向，成为近似的单晶。当变形后的合 金加热至a f 以上，由于晶体学的限制，母相的有序，需保持其有序性，逆相变后材料 会自动恢复其在母相时的形状。 ( 3 ) 应变诱发马氏体相变 应变诱发马氏体相变【6 j 是在m ：温度( m ：为应力诱发马氏体相变的临界屈服应力等 5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 于母相屈服强度时的温度) 以上，在马氏体相变前，母相先发生塑性变形，形成大量位 错和滑移带，它们的交截为马氏体相变提供了新的成核位置。在外应力作用下，在这些 新的成核位置发生应变诱发马氏体相变，形成应变诱发马氏体，变体间通常不呈现自协 作形态。 图1 4 热诱发和应力诱发马氏体相变示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e r m a l a n ds t r e s s - i n d u c e dm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n s 1 1 3 形状记忆合金主要分类 具备形状记忆效应的合金必须有热弹性马氏体相变，且相变和逆相变不在同一温 度。换个角度讲，形状记忆行为是一种特殊的热一机械行为，是温度、外应力和应变三 个量之间的相互诱发。因此具备形状记忆效应的合金也是有限的，现在开发