利用火焰枪对超弹性形状记忆合金进行局部热处理的初步研究

利用火焰枪对超弹性形状记忆合金进行局部热处理的初步研究罗洪艳等1利用火焰枪对超弹性形状记忆合金进行局部热处理的初步研究罗洪艳，高翱，党富科。，廖彦剑，陈义安1重庆大学生物工程学院，生物流变科学与技术教育部重点实验室，重庆400030；2重庆医用设备厂，重庆4O0064摘要构建了基于火焰枪的局部热处理系统，对消除超弹性镍钛形状记忆合金SMA弹簧端部目标部位的超弹性开展了初步实验研究，并结合温度与硬度测试，探讨了热处理温度、保温时间、加热方式对超弹性消除效果、处理部位颜色的影响。结果表明，该系统可在770以上、极短的保温时间内有效消除镍钛SMA弹簧目标部位的超弹性而主体几乎不受影响。热处理温度是目标部位超弹性能否消除的决定性因素，而保温时间的影响不大。灼烧方式比热传导方式更易引起目标部位的颜色变化。关键词形状记忆合金超弹性局部热处理火焰枪硬度中图分类号TG13946文献标识码AAPILOTSTUDYONTHELOCALHEATTREATMENTOFSUPERELASTICSHAPEMEMORYALLOYUSINGAFIREGUNLU0HONGYAN，GAOXUAN，DANGFUKE，LIAOYANJIAN，CHENYIAN1KEYLABORATORYOFBIORHEOLOGICALSCIENCEANDTECHNOLOGYMINISTRYOFEDUCATION，COLLEGEOFBIOENGINEERING，CHONGQINGUNIVERSITY，CHONGQING400030；2CHONGQINGMEDICALEQUIPMENTFACTORY，CHONGQING400064ABSTRACTA1OCALHEATTREATMENTSYSTEMWASCONSTRUCTEDBASEDONAFLAMEGUNANDTHEPRELIMINARYEXPERIMENTALSTUDYONTHEELIMINATIONOFSUPERELASTICITYOFTHETARGETSITEATONEENDOFTHENICKELTITANIUMSHAPEMEMORYALLOYSMASPRINGSWASCARRIEDOUTTHETEMPERATUREANDHARDNESSOFTHESAMPLESWEREDETECTEDANDCORRELATEDTOEXPLORETHEINFLUENCEOFHEATTREATMENTTEMPERATURE，HOLDINGTIMEANDHEATINGMETHODONELIMINATINGTHESUPERELASTICITYANDTHECOLORCHANGEOFTHESAMPLESTHERESULTSSHOWTHATTHEDEVELOPEDSYSTEMCANEFFECTIVELYELIMINATETHESUPERELASTICITYOFTHETARGETSITEANDMEANWHILEKEEPTHEMAINHODYOFTHESAMPLESUNAFFECTED，ONCONDITIONTHATTHEHEATTREATMENTTEMPERATUREREACHESABOVE770。WHEREASTHEHOLDINGTIMECANBEVERYSHORTTHEHEATTREATMENTTEMPERATUREISTHEDECISIVEFACTORINELIMINATINGTHESUPERELASTICITYOFTHETARGETSITE，WHILETHEHOLDINGTIMEHASLITTLEEFFECTBURNINGHEATINGISMORELIKELYTOCAUSEACOLORCHANGEATTHETARGETSITEOFTHESAMPLESTHANTHETHERMALCONDUCTIVEHEATINGKEYWORDSSHAPEMEMORYALLOY，SUPERELASTICITY，LOCALHEATTREATMENT，FIREGUN，HARDNESS0引言超弹性是形状记忆合金SHAPEMEMORYALLOY，SMA的重要力学性能之一，是指处于母相A或R相状态的SMA，受到应力作用时发生应力诱发马氏体相变，产生恒应力、大应变的变形，当外力去除后自发发生逆马氏体相变、应变恢复的特性E，也称为力学记忆效应。超弹性的SMA的可恢复应变达到68，远高于一般金属L_2，因此在医疗器械、仪器仪表、航空航天、机械制造等领域得到广泛的应用。但同时，超弹性也给SMA器件的局部机械加工带来了难题。以常用的小丝径弹簧为例，为了方便与其它部件之间的连接安装，往往会将其两端做成弯钩，对于不锈钢弹簧而言，可在室温下用手工或机械方式轻易地一弯成型，而这种方式对于在室温下就呈现超弹性的SMA弹簧却不适用。其实在很多应用中，并不需要SMA器件整体都具有超弹性，就像弹簧端部的弯钩只是用于连接，因此如果能对SMA部件进行局部超弹性消除，就可以采用常规的方法对其进行局部变形加工，同时不会影响该部件主体的超弹性功能，使之仍然满足应用要求。据文献报道，热处理温度对SMA的超弹性有显著的影响，在高于其重结晶温度下，控制保温时间进行退火处理后，其超弹性较差E。由此可见，通过选择适当的温度及保温时间对超弹性SMA器件进行热处理，有可能达到消除处理部位超弹性的目的。因此，本实验构建了局部热处理系统，利用火焰枪对超弹性镍钛SMA弹簧进行局部热处理实验研究，分析了热处理温度、保温时间对消除超弹性效果、处理部位颜色的影响，以探讨实用的局部热处理方法及确定优化的局部热处理参数，从而为超弹性SMA器件在实际应用中面临的局部加工问题提供可行的解决方案。国家自然科学基金30900323；重庆市科技攻关重点项目CSTC，2009AB5219；重庆大学大型仪器设备开放基金2011121522罗洪艳女，1976年生，博士，副教授，主要研究方向为形状记忆合金及其医学应用EMAILHY1UOCQUEDUCN利用火焰枪对超弹性形状记忆合金进行局部热处理的初步研究3洪艳等3离火焰枪外焰越远，目标部位与主体最高温部位的温度越低，而在距离相同的情况下，延长保温时间对两者温度的影响不大。同时，对比3组实验的温度曲线可见，目标部位温度越高，主体最高温部位温度也越高，而使用了自制弹簧固定装置的第组、第组实验中弹簧主体最高温部位温度均远低于目标部位温度，说明弹簧固定装置的散热效果明显。32硬度检测结果各试样在实验前的硬度及实验后其目标部位与主体最高温部位的硬度检测结果如表1所示。实验前测得所有试样平均硬度为46864HV。在第组实验中目标部位与火焰枪外焰相距45MM时，试样目标部位的硬度在局部热处理前后的变化极小，最大差异仅为449HV。而其余实验中试样的目标部位硬度在局部热处理后均降低了150HV以上。试样的主体最高温部位的硬度只在第1组实验后出现了大幅度降低的情况，而在其余实验后几乎保持不变。特别是使用了自制固定装置的第和第组实验中，目标部位与火焰枪外焰距离小于45MM时，目标部位与主体最高温处的硬度在实验后产生了明显差异，而后者与实验前相差极小。此外，在目标部位与火焰枪外焰距离相同的情况下，目标部位与主体最高温部位的硬度随保温时间的延长并无明显变化。表1各试样目标部位与主体最高温部位实验前后的硬度检测结果TABLE1THEHARDNESSOFTHETARGETHEATTREATMENTSITEANDTHEHIGHESTTEMPERATURESITE0FEACHSAMPLEBEFOREANDAFTERTHEEXPERIMENTSO图43组实验中目标热处理部位的最高温度随保温时间变化曲线FIG4THEHIGHESTTEMPERATUREOFTHETARGETHEATTREA