（材料加工工程专业论文）niti形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究.pdf

硕士论文n 币 形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 ab 8 t i a c t 稍tht h e hi ghene rgy p l a s m a beam mel t a n d pus h wel d i ng met h o d ， t h e wel d i n g q u a l ityofth e n m s h al 犯m emo ryalloy雨reiss tu d i ed. t h e re se arch isdi vi ded int h e fon o w l n g p a its: t h e j o i nto f th e n i 下s maw ir e p l as m a b e a mwel d i ngi s re s e arch ed. s haul ating the h a z ， ast h e n i 3 tiand ti剑i w a exl s t ed， the te nsile s t re n gth and s h a pem e m o ry p r 0 pert i e s o f t h e s i m u l at e d al l o y i s l o w e r l h a n orig i n a 】 al l oy. to k e e p the s h a p e r n e m o ryp r o pert ie s ofthe s mawire ， ith astorem ove th e weldingh neand re d l l c e t h e w i d t h of山 e h a z . u s i n g the p l as ma bea n 1 melt and p u s h wel d i ngm e t h 0 d w e l d t h e s m a初re， the hi ghene r g y p l asm a b e am mel t and p u s h wel d i 呢equ ip m e ntsy s t e mi s p a rt l y des i 即ed 即dbuih . t h ep a 工 a m e t e r s ， i nnuence of the welding ni nt isanal y z e d ， a n dthe relatio n s h 1 p betwe e n p a r an 1 e t e rsan d th e p r o pe r iangeofp aram etersare co 顽rmed 丁 b e performa n c e andm i crocos m i c 0 r g a n i zatio no f th e wel d i ng j o i ni s are anal y ze d a n e r heattrea t m ent p ro c e s s .t h e c h a r a c t e r i st i c and d i 月 免 r e nce o f t h e wel d i n g j o i ntare d i s c uss e dandcom p a r e d ， s u c h asp h as e ， m i c ro s l ru c n lr e ， te n s i l es t r e n gth ands h al ” me m o ryp ro pert l e s and p s e u d o 一 e l a s t i c i t y . witht h e heatt r e a t m e nio f 5 0 0 ，cxl h ， th e re suits h o ws t h a t th e te nsi i e s t r e n gth o f j o i 此 1 5 8 9 %o f the orig i nal al l oy， a 11 ds h a p e me m o ryp r o p erti e s i s 9 7 .3 %o f t h e orig i n a l al lo y. k eyw心 rds : s ma ， p l as ma b e am， s i m u l at i n g h a z 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 旅俊 知7 年， 月 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: ，7 年7 月 t 7 日 硕士论文n i 下形状记忆合金等离子束熔振焊方法研究 第 1 章. 绪论 l l形状记忆合金概论 形状记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性特性的神奇材料， 这是普通 金属和 合金所不具有的。 它具有 特殊的形 状记忆效应 (sh a 沐m emory e ffect ， 简 称为s m e ) 111 。 将这种合金在其高温的母相状态下成形后， 急冷至低温的马氏 体 状态， 如果在此状态下进行任意的塑性变形使其形状发生改变后， 再将其加热到 高温母相稳定的温度区，则通过马氏体逆相变可使其塑性变形前的形状得到恢 复， 即 恢复到了 母材原 来的 形状。 这就是合金对母材的形 状记忆效 应121 . 这种奇特的 现象是 在50年代初c h a n g 和read在研究a u . c d 合金时偶然发 现的。 接着在in-肠合金中也发现了形状记忆效应， 但都没有引起重视。直到20 世纪60年代初发现了niti合金的形状记忆效应后， 因它有可能应用而受到重视， 并 在2 0 世纪6 0 年代中 期已 将n i ti合金制 造成人 造卫 星的 天 线13jl 4ll 习 。 随 着应用 和 研究的 深入， 加世纪70年代有了 很大发展1611711 川 ， 己 在很多合金系中 发 现了 形 状记忆效应:fe-n i 、 f e 一 m n 、 c u 一 ai、 c u 一 u 、 h 一 ti、 a u 一 c d 、 n i 一 n等19 1 。 l z形状记忆合金的特性 l 2. 1形状记忆效应 形状记忆合金的 形状记忆效应主要来自 于它的热弹性马氏 体可逆转变110 1 。 马氏体相变往往都有可逆性， 即把马氏体以足够快的速度加热时， 可以不经 分 解而 直接转变为高 温相111 111 21 。 但钢中的 马氏 体由 于碳在铁中的 扩散速度较大， 因此加热过程中马氏体极易分解，在尚未到达逆转变的开始温度a s 时马氏体己 分解， 所以在钢中观察不到马氏体的逆转变。 但在一系列铁合金或其他非铁合金 的马氏 体相变时都能看到逆转变现象113 弓 。 在具有马氏体可逆转变的合金中， 根据马氏 体转变的 特点又可分为热弹性马 氏体的可逆转变和非热弹性马氏 体可逆转变两类。 其中， 热弹性马氏体的可逆转 变是发展形状记忆合金的基础。 通常把马氏体相变中的高温相叫母相 (p) ， 低温 相叫做马氏体相 ( m) 。整体加热和冷却过程温度的定义:p 相到m相的相变叫 做马氏体正相变，从m相到p 相的相变叫做马氏体逆相变。将马氏体相变开始 的温度标以ms ， 终了 温度标以m f，在加热过程中， 将马氏 体逆相变开始温度标 以as， 终了 温度标以af。 热弹性马氏体转变时的热滞后非常小，只有几摄氏 度 到2 0 3 0 ， 也就是说相变所需的驱动力不大。 当温度降到ms 后就出现马氏体， 在继续降温的过程中， 马氏体量的增加并不是靠新马氏 体的生成， 而是靠己 有马 硕士论文ni 石形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 氏体的长大，即随温度下降，马氏体逐渐长大，反之，当温度回升时，马氏体片 又随温度上升而逐渐缩小， 呈现出热弹性。 因此， 称这种马氏体为热弹性马氏体。 热弹性马氏体有两个重要特征: 即相变的全过程中母相和新相界始终维持共格联 系; 相变具有完全的可逆性， 即逆相变可以 恢复到母相原来的点阵结构和原来的 方向，也就是在结晶学上完全恢复到了母相原来的状态1 141。为满足相变过程中 新相与母相始终维持共格联系， 就必须使相变体积变化要小。 为满足相变具有完 全的可逆性就要求晶格为有序点阵。因此， 形状记忆合金的母相，除个别外， 通 常都是有序点阵结构，见表 1 .2 . 1 。 表1 .2. 1 一 些 形 状 记 忆 合 金 的 成 分 和 特点 115 1 成分( 摩尔分数)m s 了 ka s 一 m 澎 k 有序( 无序) 体积变化( 0/0) c d 4 4 叭 广 4 9 % c d 4 6 万 明 卜5 0 % 1 1 4 嗯 /0 、 1 4 . 5 % ni 3 例 卜45 % au23 酬 卜 2 8 % z n45 洲 卜4 7 % s n l s % z n 3 8 . 5 % 4 1 5 % (x=81 、s n 、a i 、g a) 下1 8 例 卜2 3 % a1 3 6 叹卜3 8 % 8 3 2 2 31 5 2 4 3 刁 7 31 5 cu . ai 一 1 1 3 3 7 33 5 有序 有序 有序 刁 1 6 一 41 一 3 0 cu-au-zn8 3 2 3 36有序 一 2 5 c u-sn cu . z d cu . z h . x 】 n 门 t i ni 一 ! ni 肠u ni 下 fe ni 书 介 一 pt f e 一d mn 心 u ni20%，c u30 % ni 4 7 %，f e 3 % ni sl % 1 5 3 2 1 3 9 3 以 6 3 9 3 2 6 3 3 3 3 、 3 7 3 9 3 、 3 7 3 3 5 3 1 8 3 2 2 3 阳 3 7 3 1 0 1 0 -0一 5 0 一 2 0 刁. 4 2 l 8 l 0 0 . 3 4 p t 2 5 % pd 3 0 % 1 4 3 1 7 3 有序 有序 有序 无序 有序 有序 有序 有序 有序 无序 无序 部分有序 刁一 5 一0 .5 cu s %、 3 5 % f e 一 卜 ti一。!ni 3 3 % 2 3 礴 5 32 5 1 3 32 00.4 2 . 0 _一上一t 经 丝 公 口 旦 丝 、一 _ 形状记忆效应可以通过图1 .2 . 1 上的应力一 应变曲 线表示，在t a f 的高温下对母材进行形状记忆处理，使其具有所需的形状后， 冷至t a f 时，母相原有的形状又得到恢复。 但在再次冷 却 到 低温时并不能 恢复马氏 体塑 性变形 后的 形 状。 1 “ 111 71 所以 单 程形 状记忆效应 也就是不可逆形状记忆效应。如果冷却到t 月) 玲勿笼马氏体 丁 川】 冷却互场氏伟 t tmr 】 场氏 休片里 !任.应 u口口 曰 u门 图1 . 2. 2 三种形状记忆效应的示意图 硕士论文n i 石形状记忆合金等离了束熔压焊方法研究 i j 2 超弹性 形状记忆合金除了具有形状记忆效应外， 还有另一个特性， 即超弹性( p seud。 一e l astio ity ， 简称为p e ) 。 在应力作用下它的 可恢复应变为 普通金属的几十倍。 普通金属弹性应变量一般不超过0. 5 %，而具有超弹性的形状记忆合金可达 5 驯 卜 2 0 %。 形状记忆效应是由热弹性马氏体的逆转变产生的，而超弹性是由 应力 诱发的马氏体逆转变引起的。热弹性马氏体相变是由温度变化引起的马氏体相 变。 应力诱发马氏体相变是在母相稳定的温度区内 ( t a f)，由应力变化引起 的马氏体相变;当所加载载荷超过了诱发马氏体相变的临界应力。 m 时， 在变形 的同时就诱发了马氏 体的产生;当 应力去除后， 随着马氏 体的逆转变， 应变也消 失，恢复到了母相原来的状态. 这种形状恢复的现象， 本质上与形状记忆效应相同， 都是马氏体的逆转变引 起的， 但这种马氏体是很不稳定的， 一旦卸载就立即发生逆相变， 相应的变形也 得到恢复。 这种现象如同弹簧卸载后恢复原状一样， 但它是相变引起的，因此又 称相变伪弹性。 产生应力诱发马氏体是有一定温度范围的，其上限为m d ，下限为a f ，即 a 仪t md 。 图1 .2. 3 中的应力一 应变曲线表示在a 伙t ar l 4 .2激光焊 文献口 61 2 7 】 中 研究了 形 状记 忆合金的 激光焊， 并表明 焊接这种材料采用激 光焊是可行的。母材固溶处理的条件为:9 73k 、1 . s ks:时效处理条件为:ar气 中、6 7 3 k 、3. 6 ks。c o z 激光焊的焊接参数为: 6 k w功率、 3 4 m / m in焊接速度， 焊后在ar气中、6 73k 、3. 6 ks条件下时效处理。表1 .4. 2 中列出了母材、 母材时 7 硕士论文n 币 形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 效处理后以及激光焊焊缝金属的转变温度。 表 1 .4. 2 n i ti50.7 %合金及其焊缝金属的转变温度 -尸-下- 一 材料转变温度服 mfl94200185 m242425 as251271238 af296296296 母材 母材经6 73k 、3 .6 ks时效 激光焊焊缝金属 表中数据说明母材和焊缝金属的相变点基本相同。 形状记忆效应评定为在不 同的试验温度 ( 从ms 点以下到a f 点以上)下，以1 6 xl0一 5 一 1 应变速度加载， 到达4 %应变后去除载荷，加热到母相状态，试验其形状恢复情况。图1 41 和 图1 .4. 2 上的应力一 应变曲线分别为母材时效后以及焊接试样时效后的形状记忆特 性试验结果。 柳柳诩柳 口万、祠侧 启 的 1 00 应交( 乞1 应交( 马， a) 试验温度2 33kb ) 试验温度2 7 3 k 栩柳栩幽橄 .盆、只创 c ) 试验温度3 1 3 k 图1 4. i n i ti 5 0. 7 % 经过6 73k 、 3 .6 ks时效后的应力 应变曲 线 硕士论文n i肠形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 幽姗期脚佃 月舀1长周 两柳柳如伽州 .j、长侧 急3 且交 肠 r4 应交 钻 ) a)试验温度2 33k b ) 试验温度2 7 3 k 晰俐柳翔助城 己艺、只封 应交( 钻， c ) 试验温度3 1 3 k 图1 .4. 2 n i ti 5 0. 7 % 激光焊接试样经过6 73k 、 3 ，6 ks时效处理后的 应力 一 应变曲 线 以上试验结果说明， 激光焊试样与母材具有相同的形状记忆效应。 但焊接试 样的抗拉强度和断裂应变均低于母材。 断裂发生于焊缝中心柱状晶的晶界。 这是 因为对生柱状晶的晶界垂直于载荷，而且晶界上有氧化物夹杂存在。尽管如此， 焊接试样断裂应变仍超过6 %，这是多晶体n i ti母材金属中的最大可恢复伸长 率。 l 4 ) 电阻对焊 文 献脚 1 1291中 研究了ni肠形状记忆合金丝的电 阻 对焊。 母材直径为。 .73 inm ， 拔丝后经6 73k ，1 .s ks热处理， 其马氏体逆转变温度a f 约为3 33k 。 母材抗拉强 度为1 10 0 mp a 。 研究所得的焊接顶锻力和焊接电流对接头力学性能和形状记忆效 应的影响规律见图1 .4. 3 。 图1 .4. 3 中的a 区内包括了接头强度达到母材80%以上 的所有焊接条件。此时的断裂都发生在热影响区。图1 . 4. 3 中a 区以外的b 区包 括了 所 有接头强 度低于母材80 % 的 焊 接条件。 此时断 裂都发生于连接部 位. !” 1131! 硕士论文n i 下形状记忆合金等离了束熔帐焊方法研究 15 0 0 o 搜只娜博 0 呵 一 戈 右 石 一 - 万 品 目 .韶。 焊接电流，a 图1 .4. 3 接 头 强 度 达 母 材80 % 以 上 的 焊 接 条 件 !321 采用弯曲 试验的方法评定焊接部位的形状记忆特性。 取最初的最大弯曲变形 为10 %( rb= 3 一6 5 mm ) ，母材在3 68k热水中的形状记忆恢复特性为最大残余应 变0. 6 制 .7 % !期 。 l 4. 4摩擦焊 根据文献l 0 介绍， 在连接五 50 ， 卜 n i 50% 时 可以 获得良 好的结果。 试样直径 6 r n r n ， 长 100 n l m。 摩擦焊时所用的顶锻压力为39一 1 %. i mp a 。 焊后热处理条件 为: 7 73k ， 3 0 m in ， 冰水 淬火 1州。 焊接接头经热处 理后力学 性能和形 状记 忆效 应 均很好。 因为摩擦焊时在焊接区产生了 严重的热变形， 所以 获得了细的显微组织， 这对形状记忆效应有利。热处理后的焊接接头具有与母材几乎相同的转变温度。 应力 一 应变曲 线表明 热处理后的 焊接接 头形状记 忆倾向 优于母材1” n 州 !3 刀 。 l 4 . 5钎焊 文 献【 川中 研制成了 能在大气中 钎焊ni石形状记忆合金的 钎料和钎剂， 但未 对钎焊接头进行形状记忆特性的研究。 所用的钎焊工艺分两步进行。 第一步为预 熔敷钎料， 将研制的钎料、 钎剂涂于试件的连接部位， 使钎料熔化后熔敷在试件 的连接部位;第二步为连接，在预置有熔敷钎料层的试件连接部位涂上通用的 ag基钎料 用钎剂， 然后将两 块需要 连 接的 试件装配在一 起，并 压上10 09质量， 在炉中加热进行钎焊。 钎焊温度对n i 下形状记忆合金抗拉强度和超弹性影响较大. niti形状记忆 l 0 硕士论文ni石形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 合金力学性能变化存在着两个临界转变温度。 温度高于6 50 ， 抗拉强度降低: 温度高于2 00 ，超弹性降低。组织由b 19相已 部分转变为b z 相。 可以看出，采用钎焊方法及瞬间液相连接可以在低于n i 下合金退火温度下 获得性能良 好的接头， 而且不损坏母材的形状记忆性能和超弹性。 但是钎焊焊接 时间长， 吸气量大， 接头的性能较差。 并且钎焊中由于钎料不具有记忆功能， 因 此不宜钎料的铺展长度不宜太长1” 11 叨 114 ” 。 l 4. 钨极惰性气体保护的电弧焊 从实际生产需要出发， 熔化焊用得最为广泛。 所以 早在20世纪60年代就开 始采用钨极惰性气体保护的电弧焊连接niti形状记忆合金，但没有获得满意的 结果。采用he 气保护钨极电弧焊来连接niti合金时，焊缝呈细的树枝状组织， 接头的形状记忆效应和力学性能都不佳。 关于接头部位形状记效应及接头力学性 能的研究没有进行。 之后d r e n 刀 e n 和j ac k s on等人也采用tig焊对n i ti形状记 忆合金进行了 研究， 取得了 较好的焊接接头i2 li 43l。 文献中报导了 研究了n 林 汀1 钊 n 场 宽滞后记忆合金带氢弧焊点丝材的显微组 织和力学行为。结果表明， 焊后适当温度退火处理可显著改善焊点的显微组织， 得到细小、 均匀的等轴晶， 从而提高了 焊点的力学性能， 室温下表现出较高的拉 伸强 度 和延 伸率!441。 焊后未经退火处 理的 试样， 室 温拉伸断口 均位于焊缝金属的 熔合区内， 微观断口 存在明显的解理台阶， 为典型脆性断裂， 退火处理后， 断口 位于近焊缝处的热影响区内，是韧窝型断口，属塑性断裂。韧窝内镶嵌有 ( ti ，n b ) z n i 相， 该相内 部及其与基体交界处存在 有明 显的 微裂纹。 带 焊点丝材经 退火处理后在 60下变形， 最大弯曲 可恢复应变约为5 %， 表明焊点处仍具有一 定的记忆效应145 ! 。 1 :4 等离子熔化焊 南京理工大学的成志富等人研究了用等离子来连接niti形状记忆合金板， 取得了比较满意的结果， 热处理后的抗拉强度达7 50m pa。 同时对于niti形状记 忆合金板焊后的形状记忆性能进行了测试， 通过将焊后样品沿垂直焊缝方向切成 0. 5 1 1 1 1 1 1 厚的条状， 用压弯角的回复率表示形状记忆性能。 测试结果表明焊接后样 品的恢复率比焊前低，焊件的形状记忆指数相当于母材的93.8 %。 对于等离子连接n i 下 n b 形状记忆合金丝也进行了 一些研究，所用设备为飞 马特等离子焊接系统，连接工艺如表 1 .4. 3 所示。 硕士论文 n i 石形状记忆合金等离了束熔压焊方法研究 第2 章. niti形状记忆合金丝等离子熔化焊接头相结构分析 如前所述，形状记忆材料的连接除了要求没有缺陷和具有一定的力学性能 外， 还必须要求连接后接头保持形状记忆效果。 对于微观组织为有序排列且可发 生马氏体与奥氏体的完全逆向变的合金， 其焊后接头的微观组织也必须保证与母 材一样的有序才具有形状记忆效应和超弹性。在近等原子比niti合金中，形状 记忆效应和相变伪弹性总是与b z 母相结构到b 19 单斜结构相的热弹性马氏体 相变联系。因此， ni含量、时效和合金元素的添加等影响母相结构的因素，均 对控制记 忆效 应行为 十分重要1州。 通常认为 低于9 23k时b z 相单相只 存在于 50刀 % 50乃 % n i 之间。 该区范围 狭窄， 在材料的 加工中， 一旦使材料的等原子比 偏移该区域， 将会明显影响材料的记忆效应。 在不同温度下时效后出现成份偏析， 有些部位ni 含量高于50.5 %，有些部位则低于50%，从而会有异种相的出现。 做x射线衍射的目的就是找出异种相及其开始产生的温度，同时分析对ni五形 状记忆合金的性能产生的影响。 2. 1熔化区相结构分析 结合n m 系平衡相图可知等原子比niti合金 1210以上开始进入液相， 连 接ni五合金时温度变化范围在室温一 1 5 00之间， 1 210 以上冷却后对应于焊缝 中的熔化区，其余热影响区和母材。 n iti 系平衡相图如图2 . 1 所示。 1 3 5 0 t 姗叶朋附 p、侧. 姗月 铂娜肠 目 三 含t几t 肠 图21 n i ti系平衡相图 0 0农 分别对母材及熔合区进行了x衍射分析。见图2 .2 、图2. 3 。 x衍射显示， 母材中相结构是含有ni下的b z 相。 而焊接后焊缝中除了ni下相之外有少量ti z n i 相和n i ， ti相的析出。 硕士论文n m 形状记忆合金等离子 束熔压焊方法研究 翻翻加烟侧，. . . . . ，肠 ， 翻 . 图2. 2 母材的x射线衍射分析图 燕 ，.ij飞.月，.，.esl.jl卫.we.，.月. 口门，: 翻台 一. 吸 丫公 ，. 粼加 一l 呼 一 吵 图2. 3 焊缝的x射线衍射分析图 t i z n i 相和n i 3 ti相为脆性相，无形状记忆效应，因 此在焊接过程中 应尽量 去除。 2 之模拟热影响区 经测量热影响区宽 度为6 0-80卿， 且晶 粒 较细， 不方 便对热影响区 进行相结 构分析，所以考虑采用模拟热影响区的方法来分析。 如上分析， 连接niti合金时温度变化范围在室温一 1500之间， 热影响区的 温度范围 应该在室温 1 2 0 0 之间，为此特选择了具代表性的2 0 、 400 、 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0 oc、 8 0 0 、 9 0 0 ，c、1 0 0 0 ，c进行热影响区的 温度模拟。 模拟试样为z lnm x 20n l l l l x 2 0 m m的niti合金板， 分别将板材表面涂上t zk-5 型钦合金热穿孔工艺用玻璃防护润滑剂，目的是保护niti合金表面，以防止氧 化，试样在电阻加热炉中进行加热。保温 lh后随炉冷却后取出，发现经400 和5 00处理的试样表面分别呈现黄色和蓝色，其余温度下处理后均是银灰色。 将所有试样用1 8 0#砂纸打磨光滑后， 都为银白 色。分别见图2 .4a) 刁) 。因此分 析400 和5 0 0 模拟后的试样氧化最为严重， n i 下合金在此温度吸氧能力最强， 由 此也说明了 在焊接ni五合金时正面、背面同时长时间通保护气进行保护的必 要性。 硕士论文n i石形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 2. 4模拟热影响区的力学性能试验及分析 一定温度热模拟后x射线衍射显示有新相的析出，新相的产生使得晶格之 间的有序性受到破坏， 对于母材的力学性能会有一定的影响。 对热模拟过的试样 进行拉伸实验。 由于6 0 0 热模拟过后出现了五 z ni相， 9 00热模拟过后出现了ni3 下相。 所以 选取6 00热模拟的和9 00热模拟的， 以及常温20下的母材进行对比拉 伸试验。 试样线切割成如下图2 . 13所示尺寸，并用砂纸打磨平整。 下口已生 1一seel 图2 . 13 试验材料尺寸 将打磨后的试样在ins t r o n 3367 万能材料试验机上进行拉伸试验， 试验曲 线数据如下图2 . 14所示。由于在拉棒夹紧时有一定程度的压应力，因此图中拉 伸应力值从负数开始。 曰，翻翻 理.口创盈口 恤旧:姻翻 一里.悦皿石 一. .协玲翻乡 翻. 口 幽田 a)常 温20 下应力一 应变曲 线b)6 。 。 热模拟后应力一 应变曲 线 硕士论文n i 石形状记忆合金等离子束熔压焊方法研究 曰:匆. 诬.倪创任口 二 ， 目肠翻 .日盛. c)g o 。 热模拟后应力 一 应变曲 线 图2 . 14 三种不同 试样拉伸应力一 应变曲 线 3 种试样拉伸的应力一 应变数值如下表2 . 1 所示。 表2 . 1 三种不同 试样抗拉强度 序号 1 处理方式最大值载荷闪抗拉强度/ mp a 165协们 3 3 7 8 1 6 9 9 1 7 2 3 对抗拉强度与处理温度的关系可画出如表215所示的曲线图。 .物幽胭幽 .受长侧 .，甘刁 曰口 自.日 ， 口翻 扭度/ 图2 15 抗拉强 度与处 理温度的 关系曲 线 根据上述图形与数据做如下分析: 1 、由 图2 . 14拉伸曲 线可 看出:图a) 完全为 母材时拉 伸应力 一 应变曲 线相对 较平滑，曲线呈现形状记忆合金的超弹性特征，中间稍有弯曲是由于试样过小， 夹持有稍许打滑现象。没有出现一般碳钢的屈服点特征。6 00的热影响区模拟 试样的应力 应变曲 线中出现了明显的拐点， 类似于碳钢拉伸曲线中的屈服点， 认为引 起曲 线变异的主要原因是合金中出 现了ti 州1 相， 使得响应应力诱发的马 氏体减少。 9 00热模拟试样的应力一 应变曲 线出 现的屈服拐点更加明显， 这是因 为试样中同时存在ni3 叭相和ti z ni相脆性相。 试验更进一步印证了肠 z ni、 n 妇 石 不是b z 有序相，没有形状记忆效应。 l 9 硕士论文n 币 形状记忆合金等离了束熔压焊方法研究 2 、由表2. 1 可见，常温处理的试样的抗拉强度最高，为1 1 65mp a ，热模拟 温度在6 00的试样抗拉强度仅为常温试样抗拉强度的70.0 %， 热模拟温度在9 00 的试样抗拉强度为常温试样抗拉强度的61.2 %，结合x射线衍射分析，600 热模拟过后出现了五 剑1 相。 9 00热模拟过又后出现了ni3 ti相，为ti 州1 相、 ni3 下相和单一ni下的b z 有序相的合金。 正是这些异相的出现使得ni下合金的 抗拉强度降低了。 3 、上述结果也为等离子焊后时效处理的温度提供了理论依据，时效温度应 尽量在600 以下，以防止母材部位出现ti 剑1 相甚至是ni3 下相，从而影响焊 后材料的性能。 4 、由于热影响区脆性相的产生， 在连接ni五形状记忆合金时要尽量减小热 影响区的宽度，细化晶粒，才能保持形状记忆性能不受影响。 2. 5本章小结 1 、等离子熔化焊焊接接头结合良 好，无明显焊接缺陷; 2 、等离子熔化焊焊接接头焊缝组织呈粗大柱状晶组织: 3 、 对热影响区的模拟试验表明: 等离子熔化焊焊接接头母材热影响区在6 00 900 温度区间出 现ni3 ti相和肠 剑1 相: 4 、 ni3 ti相和ti 剑1 相完全没有形状记忆性能: 其抗拉强度均低于单一ni下 的b z 有序相。 硕士论文n i下形状记忆合金等离子 束熔压焊方法研究 第3 章. niti形状记忆合金丝熔压焊方法研究及试验系统的建立 3. i n it i 形状记忆合金丝熔压焊连接方法研究 依据上述研究结果，为提高niti形状记忆合金丝连接质量，需要对现有连 接方法进行改进。 改进思想是: 如何将熔化产生的焊缝减之最小， 此外尽量减小 热影响区的宽度，并是否有可能改善晶粒状态。 3. l i熔化热源选择 近2 0 多年来迅速发展起来的等离子弧焊接， 采用的是经压缩的等离子电弧， 其具有较高的能量密度、 温度及刚直性， 与一般电弧焊和钨极氢弧焊相比， 等离 子电 弧具 有 下列 优点 : 热 源能 量 密 度高 ( 可 达10 5 一 10 6 w /c m z ) ，温度高( 弧 柱中 心可达1 8 o 0 0 24 0 0 0 k以 上) ，焰流速度大 ( 可达3 00n 公 5 以 上) ， 在极短作用时 间内， 随着热源与被焊材料的相对运动形成连续的而且完全熔透的焊缝。 在焊接 领域里， 它在很大程度上填补了氨弧焊的不足， 发展成为了一种高能束焊接方法 之一。 焊缝熔深通常大于熔宽， 焊接速度快， 热影响区小， 焊缝组织细化， 焊缝 变形小。采用这样的热源能够最大限度地保证形状记忆合金的记忆效应的不丢 失，对于niti形状记忆合金的连接是很合适的。 3. l 2改善晶粒状态方式 压力焊连接原理是通过对焊接区施加一定的压力而使两个金属实现连为一 体的连接方法， 其连接接头属固相接合。 其中的闪光对焊是利用接头处高的接触 电阻产生的热量使接触断面温度迅速上升， 在接近熔化温度的时刻在接头轴向施 以 顶端力， 使得接触面接近熔化的金属挤出 来， 后续处于高温塑性状态的新鲜金 属在压力下互相结合， 形成连接。 这种连接方法的特点之一就是其受热金属在高 温下的被挤压，使得晶粒细化，产生流变形态。如图3 . 1 . 1 所示。 利用高能束密度的等离子束流熔化金属， 再利用闪光对焊的挤压效果将熔化 区的金属挤出，焊接时在ni肠合金丝的轴向加压力可挤碎由于较大温度梯度形 成的粗大等轴晶， 使热影响区的晶粒产生一定的流变细化， 从而细化晶粒， 最大 程度的保证了焊接后材料的拉伸强度和记忆功能， 这种利用等离子束流集中热源 结合闪光对焊的挤压效果形成的等离子熔压焊是可以 进一步进行研究的新的连 接方法。 硕士论文ni下形状记忆合金等离子束 熔抓焊方法研究 3 3n iti 形状记忆合金丝夹具的设计 3 人1以往形状记忆合金夹具 日 本东 京k. 儿 muia和h. tob u s h i 在j o u rn a l o fi ntelli g entm a t e ri al an d s t ru c to re s . 11公布了对ni肠形状记忆合金丝采用钨极氢气保护电弧焊进行焊接的 方法. 其过程是: 焊前合金丝用犯0 号砂纸清理丝材待焊接部位和邻近部位， 去 除表面氧化物， 并将要对接的两端面用砂轮机磨成与轴向垂直的两个面。 焊接采 用tig弧热源，其焊接过程不需要填充金属，而是通过一个可以提供弹簧压力 推动合金丝的夹具来实现对熔化部位的顶锻，完成对ni下形状记忆合金丝的连 接。针对z m m n i ti形状记忆合金丝焊接工艺为:电极与工件间的距离:1 . 6 m 们 。 ; 直流正接;氢气保护的流量为15l / m i n ;焊接时间为0. 2 秒;焊接电流:i o a: 焊件所受压力:1 .7 4n;焊件压入长度为1 .omm 。这种方法的不足在于:首先它 的t i g弧热源不够集中，使焊接接头存在热影响区，而热影响区组织都较母材 粗大;其次它所依靠的夹具仅能将焊丝压短l r n 们 口 ，同时借助一定的顶锻力使熔 化的焊缝组织致密， 它并不能解决这部分焊缝组织与母材比 较晶粒粗大和产生有 害的新相变化的问题。 而且随着温度的变化使接头处的形状记忆效果与原始母材 也存在差别，粗大的焊缝组织和热影响区严重损失了焊接接头处的强度。 南京理工大学的徐越兰等人对于niti形状记忆合金同样采用等离子连接， 接头形式为搭接形式。预装与接头形式见图3 :31 。 加预紧力 图3 . 3. 1 接头形式 所用夹具如下图3 .3.2 所示。 硕士论文ni石形状记忆合金等离子 束熔帐焊方法研究 进气孔 垫板 图1 1 2 夹具示意图 焊接过程是: 将清理后的丝放到夹具中固定， 将接头位置固定: 调整焊枪和 工件的距离至4 m m ， 移动行走装置， 调整焊枪和工件的相对位置; 设定好电流、 离子气流量和保护气流量; 开始施焊， 根据接头熔化情况及时关闭焊接电 源: 通 保护气使接头在保护气氛下冷却。 这种连接方法的缺陷是: 采用搭接形式的工件预处理较复杂， 加工精度较高; 所设计的夹具只能对工件起到夹持作用， 不能在焊接过程中对熔化部位进行顶锻 以 挤掉熔化金属: 焊后热影响区组织较粗大， 形状记忆效应损失多， 焊缝部位产 生有害的新相变化。因此考虑重新设计中 z m m n i ti形状记忆合金丝连接的夹具。 1 1 2专用夹具设计 设计的专用夹具应能满足以下3 点条件: 1 、 能在n i 五合金丝的轴线方向对丝有力的施加， 且大小要能将产生的液相 完全挤掉; 2 、夹具对丝应能自 动对中，使焊后的丝笔直; 3 、施焊区应能提供良 好的气氛保护。 对形状记忆合金丝的挤压力要大小合适， 力过小会挤不干净， 过大会使得丝 的同轴度有较大的偏差， 产生偏心， 使得连接后的丝材在接头部位不直， 影响后 期的使用。 由 于 等离 子热 源能 量密 度高( 可 达10 气 1 0 6 w /c m