NiMnGa基高溫形狀記憶合金的復(fù)相組織韌化及記憶特性的研究.pdf

1、國(guó)內(nèi)外高溫形狀記憶合金的研究主要集中于下述三種材料體系：CuAl基(CuAlAg、CuAlPd等)、NiAl基(NiAlFe、NiAlMn等)以及NiTi基(NiTiHf/Zr、NiTiPd/Au等)，總體來(lái)說(shuō)，NiTiPd合金具有最好的綜合性能，其形狀記憶可回復(fù)應(yīng)變約3％，而且通過(guò)進(jìn)一步的熱機(jī)械處理，該應(yīng)變值可達(dá)5.5％。但Pd價(jià)格昂貴(＞10萬(wàn)元/Kg)，在NiTiPd合金中為達(dá)到高相變點(diǎn)所需添加的Pd含量(重量比接近50％)意味著

2、該合金很難進(jìn)入真正的實(shí)用階段。因此，研制性能與NiTiPd合金相當(dāng)，而成本較低的高溫形狀記憶合金，是當(dāng)前具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域之一。 以前的研究表明：NiMnGa合金的馬氏體相變溫度易于調(diào)整至較高溫度，其單晶合金的形狀記憶性能和熱穩(wěn)定性良好，且成本較低，具有發(fā)展成為實(shí)用化高溫形狀記憶合金的良好潛力，但其多晶合金的高脆性是其發(fā)展的最大障礙。本研究的思路是使用復(fù)相組織韌化的方法，通過(guò)添加第四組元在合金中形成一定含量的塑性第二相來(lái)改善其

3、多晶脆性，使其兼具一定的塑性和形狀記憶效應(yīng)。具體來(lái)講：本文以具有較高相變點(diǎn)(馬氏體和逆馬氏體相變溫度分別為401℃和452℃)的Ni56Mn25Ga19合金為基礎(chǔ)，分別以Co/Cu取代Mn、Ni以及同時(shí)取代Mn和Ni，使用金相、XRD、DSC、SEM、EPMA、拉伸、彎曲等測(cè)試方法，系統(tǒng)地研究了Co/Cu的加入對(duì)NiMnGa合金的組織結(jié)構(gòu)、相變特性、力學(xué)性能以及形狀記憶效應(yīng)的影響規(guī)律。 研究結(jié)果表明：Co取代Mn或Ni和Mn時(shí)，

4、合金為包含四方結(jié)構(gòu)的馬氏體相和面心立方結(jié)構(gòu)的γ相的雙相組織，并且γ相的含量隨Co的增加而逐漸增加。而當(dāng)Co＜8at．％取代Ni或Cu＜2at．％取代Mn時(shí)，合金為單一的馬氏體組織，在這種取代方式下，隨著Co/Cu含量的進(jìn)一步增加，合金中開(kāi)始析出第二相，此時(shí)合金的電子濃度均為8.00。通過(guò)對(duì)合金相變行為的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Cu取代Mn時(shí)，合金的馬氏體相變溫度隨著Cu含量的增加而增加，至2at．％Cu含量時(shí)隨著γ相的析出而保持穩(wěn)定，此時(shí)其馬氏體相

5、變溫度可達(dá)530℃。而當(dāng)添加的第四組元為Co時(shí)，合金的馬氏體相變溫度隨著Co含量的增加而逐漸降低。合金馬氏體相變特性的變化是該合金的尺寸因素、電子濃度、γ相的析出三方面綜合作用的結(jié)果。 當(dāng)Co/Cu取代Mn或同時(shí)取代Ni和Mn時(shí)，NiMnGa合金的多晶脆性得到了很大的改善，部分合金可通過(guò)熱軋得到0.5mm厚的片材，并首次通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)其力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明：Ni56Mn21Co4Ga19合金的抗拉強(qiáng)度和

6、斷裂延伸率分別為491MPa和8.2％，該合金在卸載應(yīng)變?yōu)?.3％時(shí)，具有2.1％的形狀記憶可回復(fù)應(yīng)變；Ni53Mn22Co6Ga19合金的抗拉強(qiáng)度為483MPa，斷裂延伸率為5.5％，該合金在卸載應(yīng)變?yōu)?.8％時(shí)表現(xiàn)出3.2％的形狀記憶效應(yīng)。對(duì)于第四組元為Cu的添加方式，Ni56Mn21Cu4Ga19合金的塑性不足，進(jìn)一步提高Cu含量時(shí)，Ni56Mn17Cu8Ga19合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為424MPa和3.8％，但該合金的形狀記

7、憶效應(yīng)已經(jīng)消失。 通過(guò)對(duì)NiMnCoGa多晶樣品的斷口形貌和拉伸后試樣表面微觀裂紋的分析，可以初步得到：Ni56Mn25Ga19多晶樣品的斷裂模式為典型的沿晶脆性斷裂，而Ni56Mn17Co8Ga19合金的斷口形貌中已經(jīng)出現(xiàn)了部分的韌窩，這說(shuō)明該合金的斷裂模式已經(jīng)不是單一的沿晶脆性斷裂，而是包含有部分韌窩出現(xiàn)的混合斷裂模式。另外，表面微觀裂紋的SEM觀察表明：微小裂紋沿著馬氏體孿晶界面擴(kuò)展，當(dāng)遇到塑性的第二相時(shí)，裂紋減弱終止、沿