冷轧对NiTi记忆合金相变行为及记忆效应的影响

2015-06-15于学勇郭国林

常熟理工学院学报 2015年4期

于学勇，任龙，杨莉，郭国林

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

近年来，形状记忆合金（SMA）作为智能材料在各重要领域的应用日益为世人所瞩目，尤其是NiTi合金，因其具有超弹性和良好的记忆性能，在航空航天等高新技术领域获得广泛应用.对于NiTi形状记忆合金来说，马氏体片的重新取向和超弹性效应使得该合金具有良好的记忆性能[1].当合金受到应力时，母相经诱发发生相变，形成马氏体；当去除应力后，发生逆马氏体相变，应变恢复，即为超弹性.而马氏体的重新取向是指不稳定类型的马氏体在受热或应力作用下，重新形成了带有热形核质点的马氏体或具有很高热力学稳定性的马氏体[2].形状记忆效应与马氏体相变温度（Ms，Mf，As，Af）密切相关[3]，在热弹性马氏体相变动力学中，力与温度具有等效性，由温度诱发的热弹性马氏体相变同样可以由应力来诱发[4]，因此通过形变来获得应力诱发马氏体，从而改善合金的组织结构，以此来影响合金的相变行为是很有前景的研究方向.

迄今为止，在对NiTi形状记忆合金的研究中，人们的研究工作主要集中在NiTi合金的形状记忆效应上，对变形量与相变行为之间关系的研究还不够深入.本文着重探讨了冷轧变形对NiTi合金相变行为的影响，并较为深入地分析了合金的变形量对合金恢复性能的影响机制.

1 试样制备与实验方法

1.1 试样制备

实验用合金是采用商业用纯金属材料在氩气保护下，通过真空感应炉熔炼制得.铸锭在850℃热锻成3 mm的片材，然后进行热处理，工艺为1100℃×1 h水淬，热处理后的片材做冷轧变形处理，变形量分别为0%、4%、15%、23%，处理后的试样供实验使用.测得实验用合金的化学成分如表1所示.

1.2 实验方法

通过DSC测试仪测量合金相转变温度，试样为12 mm长、2 mm厚的片材（沿扎制方向切下），先以1℃/S的速率加热至80℃，保温5 min后，再以同样的速率冷却至-50℃，便得到一个热循环的DSC曲线.金相试样用10 ml氢氟酸+20 ml硝酸+100 ml水配制的溶液腐蚀制得，然后用Olympus光学显微镜进行金相组织分析.

表1 实验用NiTi合金的化学成分（wt%）

2 结果与讨论

2.1 合金的相变行为

图1是测试得到的NiTi形状记忆合金的DSC曲线.由图1可知，所有4个合金试样在热循环过程中，热流值的变化表现出很大的差异性.从图1（a）可以看出，在加热过程中热流值随温度的升高基本趋于稳定，在这一过程中热流值有显著变化即出现了峰值.而在冷却过程中，热流值随温度的降低逐渐增大，并且热流值同样也出现了峰值，且相变峰平缓，相变温度区间变宽，需要吸收更多的能量促使相变的进行.图1（b）为冷轧变形量为18%的合金的DSC曲线，在整个热循环过程中，看不出热流值随温度变化的显著规律，也没观察到相变热流峰.图1（c）为冷轧变形量为23%的合金的DSC曲线，从图中可看出在整个热循环过程中，在升温和降温过程中都未出现明显的相变热流峰值.

固溶处理后的1#合金，在整个热循环中出现了两次峰值，加热过程发生了B19’马氏体向B2母相转变的逆相变，测得As温度为21℃，Mf温度为63℃；冷却过程中，发生了B2母相向B19’马氏体转变，Ms温度为-7℃，Mf温度-38℃.4#和5#试样为变形量分别为15%和23%的合金，因冷轧变形使得合金中产生了大量的应力诱发马氏体和孪晶、位错、滑移等晶体缺陷，大量缠结位错等晶体缺陷增加了马氏体与奥氏体母相之间的相变驱动力，较低的温度变化不能提供足够的B19’马氏体向B2母相转变能，相变过程被抑制，因此在DSC曲线上未观察到明显的热流峰值.冷轧变形的确对NiTi形状记忆合金的相变行为产生了显著影响，但对应力诱发马氏体和热弹性马氏体之间的相互作用及对相变特征的影响机制，从DSC曲线上还无法得到，尚需进一步的探讨.

图1 NiTi合金的DSC关系曲线

2.2 金相组织

图2显示的是NiTi合金固溶处理和固溶处理后冷扎变形量为4%、15%、23%的四种合金的微观组织，其组织包含B19’马氏体，B2母相及R相.有关NiTi合金相组成的问题，其他研究人员做了细致详尽的研究，这里不再赘述.如图2（a）所示，合金固溶处理后，B19’马氏体和B2母相的晶粒完整均匀，随着变形量的增大，晶粒开始变形并随之出现了纤维组织，变形量达到23%时，合金中的纤维组织非常显著，且晶粒破碎严重，并且合金中出现了高密度位错和应力诱发马氏体，应力诱发马氏体相与原组织中的热弹性马氏体混在一起，从光学照片中无法分辨，但马氏体相的含量明显增多，如图2（d）所示（白色部分）.

2.3 合金的形状恢复率

图2 NiTi合金试样的光学显微照片

NiTi合金主要作为智能材料用于航空航天，生物医学等领域，工况要求合金具有良好的形状恢复率.从图3可见，试样形状记忆效应随冷轧变形量的增大而下降.固溶处理后的形状恢复率为75%，当预变形量为4%时，合金的形状恢复率仍然较高，随着变形量的增大而急剧下降.变形量达到15%时，合金的形状恢复率已经下降至38%，随后形状恢复率又有所上升.冷轧变形时试样受的是压应力.这种应力状态使得试样组织中形成了应力诱发马氏体，并且原有的热马氏体也重新取向，两种马氏体交织在一起且交叉比较严重，同时组织中还因变形产生了纤维组织和高密度位错，这些纤维组织本质上是由优先取向的γ和α丝织构构成的，而且合金的记忆效应因织构的取向而表现出各向异性，对马氏体相变时界面迁移的阻碍作用增加，这都大大增加了合金的相变驱动力[5].在退火时，不同取向的马氏体在回复退火时产生形状记忆效应相互削弱甚至抵消，导致预应变增大时，形状记忆效应降低，另外一些纤维组织和晶体缺陷无法消除也在一定程度上增加了相变阻力，而NiTi合金的形状记忆效应主要是由B19’马氏体和B2母相之间的可逆相变产生的，因此冷轧变形在这个层面上抑制了马氏体与母相之间的相转变.