鎳鈦形狀記憶合金包套壓縮塑性變形行為研究.pdf

1、鎳鈦形狀記憶合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NiTi合金)因?yàn)榫哂袃?yōu)良的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航空、航天、軍事和民用等工程領(lǐng)域。塑形加工是使NiTi合金從原始鑄錠走向工程應(yīng)用必不可少的重要手段，而且塑形加工會(huì)影響NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性。尤其是冷塑性變形，可以在NiTi合金內(nèi)形成高密度位錯(cuò)和孿晶等亞結(jié)構(gòu)，隨著塑性應(yīng)變的增加，當(dāng)施加大塑性變形(SPD)時(shí)，會(huì)形成納米晶甚至非晶NiTi合金，對(duì)于提高NiTi合金的超彈性具有重要的

2、意義。然而，NiTi合金在冷變形條件下塑性不高，變形抗力大，成形困難，在奧氏體狀態(tài)下還容易誘發(fā)馬氏體相變，其變形機(jī)制尤為復(fù)雜。因此探索新的NiTi合金冷塑性成形方法，實(shí)現(xiàn)NiTi合金的大塑性變形，制備納米晶和非晶NiTi合金，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力研究的重要課題。本項(xiàng)目提出了一種局部包套壓縮塑性變形技術(shù)，即在NiTi合金試樣外部施加高塑性的金屬套環(huán)，使NiTi合金處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，以提高NiTi合金的塑性，實(shí)現(xiàn)鎳鈦合金的大塑性變形，可以

3、制備納米晶和非晶NiTi合金。
　　 本文以近等原子比NiTi合金棒材為原始研究材料，通過(guò)NiTi合金局部包套壓縮工藝實(shí)驗(yàn)，結(jié)合金屬塑性成形力學(xué)，采用金相顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、掃描電鏡(SEM)、透射電子顯微電鏡(TEM)等測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)地研究了NiTi合金局部包套壓縮變形行為、組織演變規(guī)律，為制備納米晶和非晶NiTi合金提供了重要的理論基礎(chǔ)。原始近等原子比NiTi合金基體中的晶粒是大小不均、多

4、邊的等軸晶，平均晶粒尺寸約25μm?；w中的相主要是立方結(jié)構(gòu)奧氏體NiTi合金。測(cè)得奧氏體的相變溫度As=-17.3℃，Af=-4.1℃；馬氏體的相變溫度Ms=-27.2℃，Mf=-41.7℃。以金屬塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，將平衡微分方程和塑性屈服準(zhǔn)則聯(lián)立，求解了NiTi合金局部包套壓縮塑性力學(xué)問(wèn)題，結(jié)合NiTi合金局部包套壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，求解了NiTi合金局部包套壓縮時(shí)的等效應(yīng)力和靜水壓力。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著金屬包套直徑的增加，靜

5、水壓力增加，可以抑制NiTi合金的脆性斷裂，顯著提高了NiTi合金的塑性，當(dāng)金屬包套直徑在10mm以上時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)NiTi合金的大塑性變形。當(dāng)應(yīng)變小于0.15時(shí)，NiTi合金經(jīng)歷彈性變形和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變兩個(gè)階段；應(yīng)變介于0.15～0.5之間時(shí)，NiTi合金滿足密席斯屈服準(zhǔn)則；而當(dāng)應(yīng)變大于0.5時(shí)，隨著非晶或納米晶的出現(xiàn)，NiTi合金不再滿足密席斯屈服準(zhǔn)則。
　　 本文研究了NiTi合金在室溫下局部包套壓縮不同變形程度下的組織

6、演變規(guī)律，NiTi合金在室溫下的變形過(guò)程包括奧氏體的彈性變形、應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變、應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的彈性變形和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的位錯(cuò)滑移塑性變形。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變、變形孿晶和位錯(cuò)滑移在變形過(guò)程中起主導(dǎo)作用。在變形程度為25％時(shí)，變形初期，奧氏體NiTi合金發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，進(jìn)而形成變形孿晶和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)；在變形程度為50%時(shí)，位錯(cuò)密度繼續(xù)增加，開(kāi)始有少量納米晶和非晶出現(xiàn)；當(dāng)變形程度達(dá)到80%時(shí)，幾乎形成了完全的納米晶和非晶NiTi合金

7、。研究了NiTi合金在低溫(-150℃)局部包套壓縮不同變形程度下的組織演變規(guī)律，NiTi合金在低溫下的變形過(guò)程包括馬氏體的彈性變形、馬氏體的再取向(或伴有馬氏體的去孿生)、馬氏體位錯(cuò)滑移塑性變形。塑性變形后滑移系的開(kāi)動(dòng)導(dǎo)致大量了位錯(cuò)的產(chǎn)生，馬氏體界面的阻礙作用使得位錯(cuò)在界面處塞積，穩(wěn)定了馬氏體的組織形貌。故在去除應(yīng)力回到室溫時(shí)，可觀察到馬氏體組織的形貌，但晶體結(jié)構(gòu)由于不受位錯(cuò)影響，在溫度的驅(qū)動(dòng)下又回到了奧氏體狀態(tài)。在低溫大變形后試樣的