Hf含量对Ti_(49-X...忆合金的组织与超弹性的影响_赵光伟.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学青年基金（）；湖北省教育厅科研计划项目（）；石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心开放基金（）（），（），（）：.含量对 形状记忆合金的组织与超弹性的影响赵光伟，李 达，陈 健，方 东，黄才华，石增敏，叶永盛，三峡大学石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心，湖北 宜昌 三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 基形状记忆合金具有相变滞后小、可回复应变大、热稳定性好等优良性能。本工作采用非自耗真空电弧熔炼制备了（，）形状记忆合金，并研究了 含量对其组织、相变行为与超弹性等的影响。结果表明，合金在室温下的主要组织为 奥氏体与少量化合物相，加载与卸载过程中发生了 马氏体相变。随 含量增加，合金的马氏体相变温度降低，合金的压缩强度和断裂应变均有所降低，应力诱发马氏体的临界应力增加。在压缩应变为 的应力递增压缩循环过程中，合金出现加工硬化现象，并且可回复应力随着预应力的增加而增加。含量为 的合金在压缩应变为 时具有最大的可回复应变，其中超弹性应变为。在压缩应变固定为 的循环压缩过程中，的样品循环稳定性较好，可以完全回复。关键词 形状记忆合金 合金 马氏体相变 超弹性中图分类号：文献标识码：，（，），引言 形状记忆合金具有相变滞后小、可回复应变大、热稳定性好等优良性能，在机械工程、生物医疗、汽车制造、航空航天等领域得到了广泛研究与应用。但是，随着 含量的增加，记忆合金的转变行为、力学性能与记忆性能等都会受到影响。例如，当 含量高于 时，合金转变温度下降，并发生 多重相转变。当 含量大于 时，合金脆性升高，阻碍马氏体变形，从而影响合金的记忆性能与塑性加工性能。近年来，人们向 合金系中添加了各种第四组元来改善其组织与性能。添加 和 可以改善 合金的记忆性能并在一定范围内提高相变温度，；添加 和 可以提高合金热稳定性并降低热滞后温度；添加 可以获得良好的稳定性，同时提高材料的韧性与可回复应变；稀土 也可以在一定成分范围内改善合金的可回复应变与超弹性等。另外，、等元素在一定成分范围内也对该合金的性能有益。通过上述研究可知，元素 与 都可以在一定程度上改善 合金的记忆性能，并且目前针对 记忆合金的研究大多数为四元合金体系。本工作拟在 合金的基础之上添加 和 两种元素，并研究 含量的变化对五元 记忆合金的组织、相变行为、力学性能和超弹性等的影响。实验实验原材料为纯钛、镍、铜、钇和铪，纯度在（质量分数，）以上，合金成分为（，原子分数，）。熔炼采用非自耗真空电弧炉（型），并充入氩气防止合金氧化，每个样品至少熔炼六遍使成分均匀。将合金铸锭置于箱式电阻炉（型）中，抽真空到 后，充入氩气，在 进行均匀化处理，冰水淬火冷却，用线切割加工为 的圆柱样品。采用 型 射线衍射仪（）进行相组成分析，采用 场发射扫描电子显微镜（）观察微观组织并进行能谱分析。采用 同步热分析仪（）在氮气保护氛围下研究合金相变行为，温度范围为，升降温速率为 。力学性能与记忆性能测试在 万能试验机上进行，室温压缩试验的应变速率为 。结果与分析 显微组织与相变行为图 是 合金的 射线衍射谱，合金在室温下的主要相为 奥氏体，主要衍射峰对应的晶面为（）、（）、（）和（），。随着 含量的变化，主要组成相的变化不大，其中，样品在、左右出现的小衍射峰由少量的析出化合物相引起。图 为合金的微观组织，由灰色基体和分布在其上的不规则的白色、浅灰和深灰色化合物相组成。随着 含量的变化，析出相的种类、形貌与数量有所变化。图 是高倍微观组织和能谱测试位置，结果如表 所示。固溶处理后的 合金中主要存在五种相：第一种为灰色基体相（图 的、和），第二种为黑色的颗粒状（，）类析出相，（图 的、），第三种为浅白色团状相 化合物（图 的 和）且在化合物中间有富 团簇（图 的、），第四种为 合金中出现的浅灰色团状的 相（图的），第五种为合金中出现的白表 能谱测试结果（原子分数，）（，）合金位置图 固溶处理的 合金的 谱 图 合金的微观组织：（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）亮的析出相为富 化合物（图 的），其含量较少且分布在 相的边缘区域。可见，含量的增加带来的主要变化是：和 化合物相逐渐减少，而 和富 化合物相逐渐增多。图 为 合金的 曲线。在加热和冷却过程中，含 为、的合金均出现了明显的转变峰，即发生了 一步马氏体相变，。对于 含量为 的合金，在 测试范围内未测到相变峰。由下文性能测试可知该合金在室温下具有优异的超弹性，因此笔者推测其相变峰应该是向低温偏移并超出设备测量范围。由图 可见，马氏体相变的开始温度、逆相变的结束温度 以及马氏体和奥氏体相变的峰值温度、等均随着 含量的增加而降低，而合金的相变滞后（）逐渐增大，为 。压缩力学性能图 为 合金的室温压缩应力应变曲线，压缩过程呈现出超弹性合金典型的双平台状并经历四个阶段：第一阶段为母相奥氏体的弹性变形阶段，第二阶段为应力诱发马氏体相变及其再取向阶段，第三阶段为应力诱发马氏体及残余奥氏体弹性变形阶段，第四阶段为马氏体的塑性变形阶段，。含量对合金压缩强度与断裂应变有一定的影响。合金的压缩强度为 ，断裂应变达到。随着 含量增加，合金压缩强度和断裂应变均有所降低，尤其是合金的压缩强度和断裂应 含量对 形状记忆合金的组织与超弹性的影响 赵光伟等 图 合金高倍组织与能谱位置：（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）图 （）合金的 曲线与（）含量对相变温度的影响（）（）（，）图 合金的压缩曲线（电子版为彩图）变急剧下降，分别为 和。由合金压缩断口形貌（见图）也可以进一步证实：、和 合金的断口形貌均为解离断裂和韧性断裂混合组成，而 的断口形貌却只由解离断裂构成。随着 含量增加，应力诱发马氏体的临界应力增加：和 合金的临界应力约为 ，而 和 合金临界应力分别达到、。其原因可能是一方面随着 含量的增加，析出相的数量逐渐增加，导致弥散强化作用和固溶强化作用增强，使得母相奥氏体的强度升高，应力诱发马氏体需要更大的外力，但是 基记忆合金中析出相数量增加往往导致合金的塑性降低，。图 合金的压缩断口形貌：（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）合金的超弹性在室温下对 合金进行了压缩应变递增的循环压缩实验，施加的压缩应变（）依次为、。图 为四种合金的循环压缩曲线，它们均呈现出明显的超弹性。随着压缩应变增加，合金压缩应力也迅速增加。在相同压缩应变下，合金的压缩强度最高，最低。为进一步研究压缩应变与合金成分对超弹性的影响，根据图 所示的计算方法，从循环压缩曲线中计算出回复率（）、可回复应变（）、残余应变（）、弹性回复应变（）和超弹性回复应变（）等参数，如图 所示。随着压缩应变的增加，合金的残余应变逐渐增加（见图），除 合金外，回复率逐渐减小（见图）。另外，可回复应变（见图）也随压缩应变的增加而增加，但是增速逐渐降低。合金的弹性回复（见图）随着压缩应变增加逐渐增大，而合金的超弹性回复（见图），除 合金一直增加外，其他合金都呈先增加后缓慢减小的趋势。以 合金为例，残余应变由 增加至，弹性回复由增加至，回复率由 减小至。这可能是由于压缩应变较小时，可回复应变 以回复率较高的弹性回复 为主。随着压缩应变的增加，应力诱发的马氏体逐渐增加，这导致超弹性回复 在可回复应变 中的比例增加。但是，由于压缩应变增加带来的塑性变形和位错积累对马氏体逆相变的抑制作用，合金的超弹性 开始减小。而合金的表现则有所不同，随着压缩应变的增加，残材料导报，（）：图 合金的循环压缩曲线（）：（）；（）；（）；（）（电子版为彩图）：（）；（）；（）；（）图 合金在预应力递增循环压缩过程的记忆性能：（）各参数计算示意图；（）回复率；（）可回复应变；（）残余应变；（）弹性回复应变；（）超弹性回复应变（）（），（），（），（）（）余应变 由 增加至，弹性回复 由增加至，超弹性回复 则由 增加至，可回复总应变最大可达到。图 是压缩应变固定为 时 合金的循环压缩曲线。随着循环次数增加，各合金在压缩应变为时所需要的应力逐渐增加，并且均表现出明显的加工硬化现象。同时，残余应力逐渐变小，即回复率增大，其中样品在的压缩应变下可以完全回复。随 含量的变化，各合金在循环压缩过程中的表现不同。其中 样品的应力提升幅度最小，说明该合金的循环稳定性最好，可以稳定地发生应力诱发马氏体相变与逆相变。而 含量为和 的样品循环稳定性较差，主要原因是在循环过程中 含量对 形状记忆合金的组织与超弹性的影响 赵光伟等 发生了明显的塑性变形（如图 红色虚线标出）甚至破碎。塑性变形会导致应力诱发马氏体转变不够充分，另外塑性变形的奥氏体或马氏体还会在卸载后阻碍马氏体的逆转变，导致合金循环稳定性不好。图 合金循环压缩曲线（）：（）；（）；（）；（）（电子版为彩图）：（）；（）；（）；（）图 是各种合金元素对 系合金超弹性与记忆性能的影响对比，其中 与 合金的数据为记忆性能，即加载结束后升温所能回复的应变，其他均为超弹性合金加载结束后的可回复应变。可以看到，本工作制备的 记忆合金转变温度较低，在室温下具有良好的超弹性。研究表明，应力诱导马氏体转变和位错滑移的同时发生会导致材料超弹性下降，通过固溶强化、沉淀强化等方法可以强化母相奥氏体，提高记忆合金的超弹性。本工作中 超弹性记忆合金具有较高的可回复应变、良好的稳定性与较高的输出功（施加应力与可回复应变之积）等特点，笔者分析可能有以下原因：（）固溶处理后，合金的基体组织含 最多，母相奥氏体的固溶强化作用较强，晶格畸变也更加严重。在应力诱发马氏体发生时，晶格畸变对位错滑移具有更大的阻碍作用，从宏观上看固溶强化作用使材料不易产生塑性变形。（）合金固溶处理后析出相较多且尺度较大。析出相的数量多可进一步对基体起到弥散强化作用，另外析出相较多且尺度较大图 合金元素对 基合金超弹性与记忆性能的影响 能够更好地阻碍位错滑移，在应力诱发马氏体发生时，位错滑移受阻而不易产生塑性变形。（）在 循环加载过程中，应变增量为，而、四种合金的应力增量分别为 、，可计算出对应的弹性模量分别约为、。需要指出的是，该弹性模量为近似值或等效值，因为在加载过程中，合金组织除了发生奥氏体和马氏体的弹性变形外，还经历了应力诱发马氏体转变以及少量的塑性变形。由计算结果可知，合金具有较高的弹性模量，在压缩应变相同的情况下，压缩强度最高，因此其具有较高的输出功。结论（）合金在室温下的主要组织为 奥氏体和少量的化合物析出相。随着 含量的增加，和 化合物逐渐减少，和富 化合物逐渐增多，并且马氏体转变温度降低。（）随着 含量的增加，合金的压缩强度和断裂应变均有所降低，但是应力诱发马氏体的临界应力增加。其中 合金的抗压强度和断裂应变分别可达 与，而 合金为 和。和 合金的马氏体转变临界应力约为，而 和 合金分别达到 、。（）在预应力递增的循环压缩过程中，压缩应变较小时，可回复应变以回复率较高的弹性回复为主。随着压缩应变逐渐增大，残余应变逐渐增加，回复率逐渐减小，超弹性回复在可回复应变中的比例逐渐增加。合金可回复总应变最大可达，其中超弹性回复最大为。在预应力固定为 的循环压缩过程中，的样品循环稳定性材料导报，（）：较好，并且在五次循环后回复率可达。参考文献 ，：，（），（）李少辉（）高熵形状记忆合金马氏体相变及功能行为研究 博士学位论文，北京科技大学，（责任编辑 李承佳）赵光伟，通信作者，三峡大学机械与动力学院副教授，博士，硕士研究生导师。年学士毕业于燕山大学，分别于 年和 年硕士、博士毕业于哈尔滨工业大学。主要从事多元多相铝、钛合金、多组元形状记忆合金的制备与表征方面的研究。发表论文 余篇。含量对 形状记忆合金的组织与超弹性的影响 赵光伟等