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(以下簡稱NiTi合金)因為具有優良的形狀記憶效應和超彈性，而被廣泛應用于醫學、航空、航天、軍事和民用等工程領域。塑形加工是使NiTi合金從原始鑄錠走向工程應用必不可少的重要手段，而且塑形加工會影響NiTi合金的形狀記憶效應和超彈性。尤其是冷塑性變形，可以在NiTi合金內形成高密度位錯和孿晶等亞結構，隨著塑性應變的增加，當施加大塑性變形(SPD)時，會形成納米晶甚至非晶NiTi合金，對于提高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，在奧氏體狀態下還容易誘發馬氏體相變，其變形機制尤為復雜。因此探索新的NiTi合金冷塑性成形方法，實現NiTi合金的大塑性變形，制備納米晶和非晶NiTi合金，一直是國內外學者致力研究的重要課題。本項目提出了一種局部包套壓縮塑性變形技術，即在NiTi合金試樣外部施加高塑性的金屬套環，使NiTi合金處于三向壓應力狀態，以提高NiTi合金的塑性，實現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NiTi合金局部包套壓縮工藝實驗，結合金屬塑性成形力學，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)等測試設備系統地研究了NiTi合金局部包套壓縮變形行為、組織演變規律，為制備納米晶和非晶NiTi合金提供了重要的理論基礎。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構奧氏體NiTi合金。測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℃。以金屬塑性力學為基礎，將平衡微分方程和塑性屈服準則聯立，求解了NiTi合金局部包套壓縮塑性力學問題，結合NiTi合金局部包套壓縮應力應變曲線，求解了NiTi合金局部包套壓縮時的等效應力和靜水壓力。理論分析和實驗結果表明，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，當金屬包套直徑在10mm以上時，可以實現NiTi合金的大塑性變形。當應變小于0.15時，NiTi合金經歷彈性變形和應力誘發馬氏體相變兩個階段；應變介于0.15～0.5之間時，NiTi合金滿足密席斯屈服準則；而當應變大于0.5時，隨著非晶或納米晶的出現，NiTi合金不再滿足密席斯屈服準則。
　　 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、演變規律，NiTi合金在室溫下的變形過程包括奧氏體的彈性變形、應力誘發馬氏體相變、應力誘發馬氏體的彈性變形和應力誘發馬氏體的位錯滑移塑性變形。應力誘發馬氏體相變、變形孿晶和位錯滑移在變形過程中起主導作用。在變形程度為25％時，變形初期，奧氏體NiTi合金發生應力誘發馬氏體相變，進而形成變形孿晶和位錯亞結構；在變形程度為50%時，位錯密度繼續增加，開始有少量納米晶和非晶出現；當變形程度達到80%時，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律，NiTi合金在低溫下的變形過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)、馬氏體位錯滑移塑性變形。塑性變形后滑移系的開動導致大量了位錯的產生，馬氏體界面的阻礙作用使得位錯在界面處塞積，穩定了馬氏體的組織形貌。故在去除應力回到室溫時，可觀察到馬氏體組織的形貌，但晶體結構由于不受位錯影響，在溫度的驅動下又回到了奧氏體狀態。在低溫大變形后試樣的