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材料的塑性变形.doc

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1、第一章 第 1 页 2019-5-1第六章 材料的塑性变形重点与难点内容提要:材料体系的平衡相图与非平衡状态下的动力学规律是材料学家分析材料时手中最主要的两个工具。扩散是影响材料非平衡过程最重要的动力学因素之一。对固体中扩散的认识主要基于两方面的知识:扩散的宏观规律;扩散的微观机理。由浓度差引起的扩散可以用菲克定律描述。菲克定律的基础是扩散速率与浓度梯度成正比且扩散与浓度梯度反向这一基本规律(菲克第一定律);在引入质量守恒定律后,菲克第一定律被推广应用于非稳态过程(菲克第二定律)。扩散物质的扩散系数 D 是描述其扩散能力的重要参数。在发生互扩散的扩散偶中,由于柯肯道尔效应,菲克定律中应采用互扩

2、散系数。热力学理论分析证明,扩散的真正驱动力是扩散物质的热力学梯度,即扩散的真正驱动力是扩散物质热力学势的梯度,即扩散的方向和速率取决于扩散物质体系中热力学势梯度而不是浓度梯度。热力学势梯度可以由浓度、温度化学位、应力应变、电位等物理量在空间上的差异造成。浓度梯度引起的扩散只是一个最为常见的特例。扩散是扩散物质质点(原子、离子、分子等)由于热运动引起的迁移造成的。扩散物质质点每一次迁移的方向是随机的。扩散流是无数扩散物质质点迁移的统计结果,因此扩散具有热激活性质。间隙扩散与空位扩散是晶体中最主要的两种扩散机制,前者的扩散系数及扩散激活能都要明显低于后者。本章以晶体中的原子扩散为主线,根据原子热

3、运动迁移模型,给出了扩散系数的计算公式,从而把扩散的宏观变化规律与扩散的微观机理联系起来。以上两方面的知识是在后面几节分析复杂扩散问题及各种因素影响的基础。基本要求:(1)正确理解菲克定律及其物理实质,并能够较好地应用菲克定律解决一些较简单的扩散问题(2)熟悉掌握扩散的原子模型,能够根据这一模型分析扩散问题及各种因素对扩散的影响。 (3)了解并掌握以下概念与术语:扩散、自扩散、互扩散、间隙扩散、空位扩散、上坡扩散、反应扩散、稳态扩散、非稳态扩散、扩散系数、互扩散系数、扩散激活能、扩散通量、原子的热运动、原子迁移率、本征扩散、非本征扩散、晶界扩散、表面扩散、柯肯道尔效应。本章主要讨论材料的形变行

4、为和微观机制。61 弹性变形第一章 第 2 页 2019-5-1611 普弹性晶体发生弹性变形时,应力与应变成线性关系,去掉外力后,应变完全消失,晶体恢复到末变形状态。弹性变形阶段应力与应变服从虎克定律。弹性模量是重要的物理和力学参量,表示使原子离开平衡位置的难易程度,只取决:晶体原子结合的本性,不依晶粒大小以及组织变化而变是 种组织不敏感的性质。612 滞弹性在弹性范围内加载或去载,发现应变不是瞬时达到其平衡值,而是通过一种驰豫过程来完成的,即随时间的延长,逐步趋于平衡值的,在应力作用下逐渐产生的弹性应变叫滞弹性应变。应力应变曲线就成回线,回线所包围的面积是应力循环一周所消耗的能量,称为内耗

5、。62 单晶体的塑性变形工程上应用的金属材料通常是多晶体。金属的塑性变形主要通过滑移方式进行,此外还有孪生与扭折。高温变形时,还会以扩散蠕变与晶界滑动方式进行。621 滑移1滑移现象滑移带,若用电子显微镜观察,发现每条滑移带均由许多聚集在一起的相互平行的滑移线所组成。滑移线实际上是晶体表面产生的一个个滑移台阶造成的。在晶体缺陷章已指出,室温下晶体塑变的主要方式是滑移滑移是靠位错的运动实现的位错沿滑移面滑移当移动到晶体表面时,便产生了大小等于柏氏矢量的滑移台阶,如果该沿移面上有大量位错运动到晶体表面,宏观上,晶体的部分相对另一部份沿滑移面发生了相对位移,这便是滑移,滑移矢量与与柏氏矢量平行。2滑

6、移系滑移时,滑移面应是面间距最大的密排面,滑移方向方向是原子的最密排方向,一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。面心立方金属的滑移面为111,共有四组,包含三个滑移方向,因此共有 12 个滑移系。密排六方金属滑移面为(0001),滑移方向为,每组滑移面包含 2 个滑移方向,故也有 12 个滑移系。第一章 第 3 页 2019-5-1密排六方金属滑移系少,滑移过程中,可能采取空间位向少,故塑性差。体心立方金属得移系较多故比密排六方结构金属塑性好。但其滑移面原子密排程度不如面心立方,滑移方向的数目也少于面心立方,故体心立方金属不如面心立方金属塑性好3滑移的临界分切应力4滑移时的晶体转动晶体

7、发生塑性变形时,往往伴随取向的改变,当晶体在拉应力作用下产生滑移时若夹头不受限制,欲使滑移面的滑移方向保持不变,拉力轴取向必须不断变化。实际上夹头固定不动,即拉力轴方向不变,此时晶体必须不断发生转动。转动结果,使滑移面法线与外力轴夹角增大使外力与滑移方向夹角变小。5多滑移与交滑移(1)多滑移对于有多组滑移系的晶体当其与外力轴取向不同时,处于软位向的一组滑移系首先开动这便是单滑移。若两组或几组滑移系处在同等有利的位向,在滑移时,各滑移系同时开动,或由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移系交替滑移叫多滑移。(2)交滑移交滑移是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。面心立方晶体中,扩展位错由两个

8、肖克莱不全位错和它们所夹的层错带构成。展位错只能沿层错面移动。如果增大应力可使扩展位钱集,即使两个肖克莱不全位错结合成一个螺型全位错便可交滑移至另一滑移面,然后在该滑移面扩展开。热激活可促进交滑移,故升高温度有利于交滑移进行。交滑移过程还与扩展位错的宽度有关。6单晶体的应力应变曲线单晶体的塑变过程可以用单晶体的应力应变曲线清晰表示出来。图 616 给出面心立方单晶的几种取向的应力应变曲线。622 孪生孪生是冷塑性变形的另一种重要形式,常作为滑移不易进行时的补充。一些密排六方的金属如 Cd, Zn,Mg 等常发生孪生变形。体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低形变速率极快时,也会通过孪生方式

9、进行塑变。孪生是发生在晶体内部的均匀切变过程,总是沿晶体的一定晶面(孪晶面),沿一定方向(孪生方向)发生,变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系金相显微镜下一般呈带状,有时为透镜状。1孪生的晶体学第一章 第 4 页 2019-5-12孪生变形特点孪生与滑移有如下差别:(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变,而滑移只集中在一些滑移面上进行。(2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变,滑移后晶体各部分位向均未改变(3)与滑移系类似,孪生要素也与晶体结构有关,但同一结构的孪晶面、孪生方向与滑移面,滑移方向可以不同。孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多。623 晶体的扭折沿

10、六方金属 C 轴压缩时,当外力超过某一临界值时晶体会产生局部弯曲,这种形式的变形叫扭折,扭沂是晶体弯曲变形或滑移在某些部位受阻,位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称扭折带是由好几个楔形区域组成。63 多晶体的塑性变形实际使用的绝大多数金属材料都是多晶体。多晶体塑变与单晶体塑变即有相同之处,又有不同之处。相同之处是变形方式也以滑移,孪生为基本方式。不同之处是变形受到晶界阻碍与位向不同的晶粒的影响使变形更为复杂。631 多晶体塑性变形过程多晶体由位向不同的许多小晶粒组成,在外加应力作用下,只有处在有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先开动。周围位向不利的晶粒的各滑移系上的分切应力

11、尚未达到临界值,所以还没发生塑变,处在弹性变形状态。当有晶粒塑变时,就意味着其滑移面上的位错源将不断产生位错,大量位错将沿滑移面源源不断运动,但由于四周晶粒位向不同,滑移系的位向也不同,运动着的位错不能越过晶界632 晶粒大小对塑性变形的影响由以上分析可知,晶粒越细,单仿体积所包含的晶界越多其强化效果越好。这种用细化晶粒提高金属强度的方法叫细晶强化。633 多晶体应力应变曲线多晶体应力应变曲线如图 625,它不具有典型单晶体的第 1 阶段易滑移阶段。这是因为晶粒方位不同各晶粒变形需互相协调,至少有 5 个独立滑移系开动,一开始便是多滑移,故无易滑移阶段。此外由于晶界的强化作用和多滑移过程中位错

12、的相互干扰,使多晶体应力应变曲线斜率即加工硬化率明显高于单晶。64 塑性变形对金属组织与性能的影响642 形变织构第一章 第 5 页 2019-5-1金属冷塑性变形时,晶体要发生转动,使金属晶体中原为任意取向的各晶粒逐渐调整到取向彼此趋于一致,这就形成了晶体的择优取向,我们称它为形交织构。643 残余应力宏观残余应力又称第一类内应力,是物体各部分不均匀变形所引起,在整个物体范围内处于平衡。微观内应力也叫第二类内应力,由晶粒或亚晶变形不均匀引起在晶粒或亚范围内互相平衡。点阵畸变也叫第三类内应力,约占储存能的 90。由形变金属内部产生的大量位错等晶体缺陷引起,其作用范围仅为几十至几百个 nm。65

13、 金属及合金强化的位错解释65Cottrell 气团晶体中溶质原子的溶入,引起了点阵畸为,形成了应力场。若晶体中同时存在位错,则位错的应力场与溶质原子倾向于聚集到位错周围;形成比较稳定的分布。通常把溶质原子在位错周围的聚集叫柯氏气团。652 位错交割和带割阶位错的运动653 固定位错有些位错本身不能沿滑移面滑动,称为固定位错。第一章 第 6 页 2019-5-1铁素体,奥氏体都有很好的塑性,韧性,珠光体有较高的综合机械性能;莱氏体渗碳体都是脆性的,硬度高,耐磨性好;索氏体较珠光体有更高的综合机械性能;马氏体分 2 种:低碳 M 有很高的强韧性,高碳 M 有更高的耐磨性; 屈氏体较索氏体的层片间

14、距更小,屈服强度更高,弹性更好.一般金属材料收到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,金属就产生塑性变形,应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。当材料加热时,材料的残余形变消失,并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时,形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应(Shape Memory Effect),它就像合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金,因此称为形状记忆合金(Shape Memory ALLoys,SMA)相关概念 形状记忆效应 一般金属材料收到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,

15、金属就产生塑性变形,应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。当材料加热时,材料的残余形变消失,并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时,形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应(Shape Memory Effect),它就像合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金,因此称为形状记忆合金(Shape Memory ALLoys,SMA) 形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。通常把马氏体相变中的高温相叫做母相,或奥氏体相(P),是一种体心立方晶体结构的 CsCl 相(又称 B2)。低温相叫做马氏体相(M),

16、是一种低对称性的单斜晶体结构。从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变,或马氏体相变。从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变 这类相变具有热滞效应,图中四个相变特征温度分别为马氏体转变开始温度Ms、终了温度 Mf、母相转变(即逆转变)开始温度 As 和终了温度 Af。相应的晶体结构变化在图中标出。热滞回线间的热滞大小一般为 20K40K。形状记忆合金在冷热循环中的热滞效应 马氏体逆相变中表现的形状记忆效应,不仅晶体结构完全回复到母相状态。晶格位向也完全回复到母相状态,这种相变晶体学可逆性只发生在产生热弹性马氏体相变的合金中。 热弹性马氏体相变 在金属的马氏体相变中,根据马氏体相变和逆相变的温度滞

17、后大小(即 AsMs)和马氏体的长大方式大致分为热弹性马氏体相变(Thermoelastic Martensitic Transformation)和非热弹性马氏体相变。 普通铁碳合金的马氏体相变为非热弹性马氏体相变。其相变温度滞后非常大,第一章 第 7 页 2019-5-1约为几百度。各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终大小,且不会因温度降低而再长大,相变过程是以在未相变的母相领域内生成新的马氏体的形式进行。 形状记忆合金的马氏体相变属于热弹性马氏体相变(但具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应)。其相变温度滞后比非热弹性马氏体相变小一个数量级以上,有的形状记忆合金只有几度的温度滞后

18、。冷却过程中形成的马氏体会随着温度的变化而继续长大或收缩,母相和马氏体相的相界面表现出弹性式的相界面推移,在相变的全过程中一直保持着良好的协调性。 马氏体变体 当形状记忆合金被冷却到相变温度 Ms 以下时,母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同,但在晶体学上是等价的马氏体,把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体(Variant)。马氏体变体一般存在 24 个。在各个马氏体变体生成时都伴随有形状变化,在合金的局部产生凹凸但是作为整体,在相变前后其形状并不发生改变,这是因为若干个马氏体变体组成菱形状片群。或组成三用锥状片群。它们互相抵消了生成时产生的形状变化,这样的马氏体生成方式被叫做自协作

19、(Self Accommodation)。 如果存在有外部应力或内部应力,特定的马氏体变体。或者说相对于应力处于最有利位向的马氏体变体就会优先生成。这时,合金的整体将会表现出宏观的形状变化。马氏体变体在相变过程中的自协作是形状记忆效应的重要机制。 应力诱发马氏体相变 形状记忆合金在外部应力作用下,由于诱发产生马氏体相变而导致合金的宏观变形,是剪切变形。这和滑移变形、孪生变形一样,也是合金的一种变形模式。这种由外部应力诱发产生的马氏体相变叫应力诱发马氏体相变(StressInduced Martensitic Transformation)。 当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变形

20、的临界应力,即使在 Ms 温度之上也会发生应力诱发马氏体相变。也就是说,外部应力使相变温度上升。 形状记忆合金在 Af 温度点以上产生应力诱发马氏体相变,一般会表现出相变伪弹性效应。但是,应力诱发马氏体相变并非都会产生相变伪弹性效应。 微观机理 形状记忆效应的微结构变化过程 (a) 母相奥氏体 (b) 冷却时的微孪晶马氏体 (c) 变形后的单一趋向马氏体 (d) 加热时马氏体可逆转变为奥氏体,形状恢复 图 41 示意说明形状记忆效应的微观机理。当母相奥氏体冷却到低于 Ms 点温度时,即转变成马氏体。通过多晶和单晶 CuZn 合金的实验发现,相变时,马氏体常围绕母相的一个特定位相形成 4 种变体

21、,合称为一个“马氏体片群”。变体的惯习面以这一特定位相对称排列。在光学显微镜下采用偏振光观察,每个马氏体片群具有 4 种不同颜色,这表征各个变体的位相不同。之所以形成这种结构,是因为每片马氏体形成时,在其周围的基体中造成了一定方向的应力第一章 第 8 页 2019-5-1场,变体欲沿这个方向长大就很困难。如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成,它将沿阻力小的取向生长,使应变能降低。宏观上看,由 4 种变体组成的片群的总应变能趋近于零,此即称为“马氏体相变的自适应现象”。在通常的形状记忆合金中,根据马氏体与母相的晶体学关系,共有 6 个片群,24 种马氏体变体。在外力作用下,形状记忆合金可以把马

22、氏体相变自适应相互抵消的变形量提供出来。这里有两种情况:一种是呈马氏体状态的试样,在单向外力作用下自适应排列的马氏体顺应力方向发生再取向,当大部或全部马氏体都取一个方向时,造成马氏体的择优取向,整个试样呈现明显的形变;另一种是呈母相状态的试样,在单向外力作用下能诱发马氏体相变,所生成的马氏体都顺应力方向作择优取向,整个试佯也会呈现明显的形变。马氏体择优取向是通过孪生和界面移动实现的。这种变体的择优生长称为马氏体再取向过程。当加热时,在 As 和 Af 之间,马氏体发生逆转变。由于马氏体晶体的对称性低,因此在逆转变时马氏体中只形成几个母相的等效晶体位向,有时只形成一个母相的原来位向。当母相为长程

23、有序时,形成单一母相原来位向的倾向更大,使马氏体完全回复了原来母相的晶体,宏观变形也就完全回复。其过程如图 42 所示。基于这种机理,形状记忆合金能够记忆各种赋于它的形状,在外界温度变化时,产生形状记忆功能。 形状记忆效应的原理 分类 根据不同的记忆功能,形状记忆合金可分为单程、双程、全程记忆效应和伪弹性等。 单程形状记忆(One Way Shape Memory) 单程形状记忆只在加热到 Af 以上,马氏体逆转变成奥氏体,发生形状回复的现象,显示出记忆原来形状的能力。如固 51 上部所示,在低于 Mf 时把压紧弹簧拉长。当将其加热到 Af 以上时,弹簧就会收缩到原来的形状;当弹簧温度再次冷却

24、到低于 Mf 时,压紧螺旋弹簧并不改变形状。它通常用于一次性抱合和连接的紧固件、连接件和密封垫。在低温时把需要连接的部件配合在一起,温度升高到 Af 时就会记忆原来形状把它们牢牢地抱合在一起。这种连接可靠、牢固,适用于空间很小、常规情况下难以连接的地方,操作时也省时省工。 形状记忆合金弹簧演示的单程记忆 双程形状记忆(Two Way Shape Memory) 双程形状记忆如图 52 下部所示。加热温度超过 Af 时,压紧弹簧伸长:冷却到低于 Mf 时,它又自动收缩。再加热时,再次伸长。这个过程可以反复进行,弹簧显示出能分别记忆冷和热状态下原有形状的能力。双程形状记忆需要对合金进行一定训练后才

25、能得到,也就是把记忆合金制作的元件在外加应力作用下,反复加热相冷却。当合金恢复到它原来形状时,即可输出力而作功。通常可用这种合金制成各种驱动器。 第一章 第 9 页 2019-5-1形状记忆合金弹簧演示的双程记忆 全程形状记忆(Two Way Shape Memory) 富 Ni 的 NiTi 合金经约束时效就会出现一种反常记忆效应,其本质与上述双程记忆效应类似,但是变形更明显更强烈,如图 53 中的演示。合金首先在 l 273K、1 小时固溶处理,然后在奥氏体相将合金约束成图 53(a)中的形状当它冷却时就会成图 53(b)和 53(c)的形状。继续冷却,形状又会向相反方向变形,如图 53(

26、d)和 53(e)。如果再加热至 Af 以上,便会恢复到图 53(a)中的原样。由于这种相反方向的变形均能恢复到原形,故称为全程形状记忆。值得注意的是,只有含 Ni 量不小于 505(原子)的合金且又经过时效,才能具有这种效应。因为时效析出的是透镜状的 Ti3Ni4 相,它们在奥氏体基体中能产生不同方向的约束应变。当发生两个阶段马氏体相变(B2 相R 相M 相)时,R 相开始在 Ti3Ni4 沉淀相表面生成同时 M 相(包括 R 相)将沿沉淀相的方向择优形成,使得内外层分别发生不同取向的马氏体相变。所以冷热循环过程中,试样内外层分别发生不同取向的可逆相变,导致全程形状记忆效应的出现。Ti51N

27、i(原子)合金呈现出的全程形状记忆 (a) 固溶处理并加约束 (b) (c) 冷却时形状 (d) (e) 继续冷却时形状 伪弹性 产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金,在 Af 温度以上诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在,应力一旦解除,立即产生逆相变,回到母相状态,在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性,这种非线性弹性和相变密切相关,叫做相变伪弹性,即超弹性(Transformation Pseudoelasticity)。 应力诱发马氏体的相变驱动力不是热能而是机械能。当材料处于 MsMd 温度范围时发生变形,就会产生伪弹性,类似橡胶。

28、Md 是应力诱发马氏体相变的终了温度。在 MsMd 间外加应力,可以保持马氏体稳定,但应力一旦消除,马氏体就变得不稳定。图 54 表示超弹性的应力应变曲线。曲线上部平台对应于应力作用下形成的马氏体,而曲线下部平台对应于应力消除时的马氏体可逆转变。它们的可恢复应变量达到 10以上。伪弹性也可称之为机械形状记忆效应。CuZn 合金应力诱发马氏体相变呈现的伪弹性行为 图 55 表示 NiTi 记忆合金弹簧和钢琴丝的伪弹性曲线。比较两者的特点可以看出,在达到相同应变量时,形状记忆合金可以完全恢复,而钢琴丝只能部分恢复,而有残余永久变形。 NiTi 记忆合金弹簧和钢琴丝的弹性行为比较 形状记记合金的相变

29、伪弹性和形状记忆效应本质上是同一个现象,区别仅仅在于,相变伪弹性是在应力解除后产生马氏体逆相变使形状回复列母相状态。而第一章 第 10 页 2019-5-1形状记忆效应是通过加热产生逆相变回复到母相。所以,事实上产生热弹性马氏体相变的大部分合金不仅有形状记忆效应,也表现出超弹性。 目前具有较好应用价值的形状记忆合金可分为三大类:NiTi 合金;Cu基合金;Fe 基合金。NiTi 形状记忆合金自 70 年代初进入工业应用以来,至今已有 20 多年的发展历史。虽然其性能优异,但因价格昂贵加工工艺性差,且相变温度难以控制,因此不利于大量推广应用。Cu 基形状记忆合金虽然价格低廉(为 NiTi 合金的

30、 15),但存在晶粒粗大。抗疲劳性较差和形状记忆效应的时效稳定性差等缺点,其推广应用也受到很大限制。因此近年来,低成本(为 NiTi 合金的 110)、高强度、易冶炼加工的 Fe 基形状记忆合金受到国内外研究者的特别关注,尤以加入 Cr、Ni 后的改良耐蚀 FeMnSiCrNi合金更是成为最近研究的热点6。以下仅对 Fe 基形状记忆合金的实验室制作方法,及各种工艺参数对 FeMnSiCrNiC 形状记忆合金的影响进行讨论。 制作方法 实验材料 试验合金用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍为原料,在 ZG25A型真空感应炉内熔炼。铸锭经 1100x15h 均匀化退火,1100热锻成 15m

31、m圆棒,再经 3 次旋锤成 3.5mm 丝,最后冷拉成 1.5mm 丝材。从电阻温度曲线上测定出相变温度。合金的化学成分和相变温度见表 61。 FeMnSiCrNiC 形状记忆合金化学成分和相变温度 试样制备 从 1.5mm 的丝材上剪取长度为 200mm 的丝,并校直。为了消除冷拉及校直过程中产生的应力诱发 t 马氏体,将校直的丝置于管内,约束条件下于 1100保温 30min 水淬。经这样处理的丝材,供实验用。 各种工艺参数对 FeMnSiCrNiC 形状记忆合金的影响 7.1. 热机械循环训练能有效提高 FeMnSiCrNiC 合金的 SME。训练23 次提高较显著。进一步训练,提高不大

32、。7 7.2. 碳含量对合金的最佳中间退火温度有着显著的影响。最佳中间退火温度随着含碳量的增加而增加。在碳含量小于 0.12时,其增加的幅度很小,但大于0.12以后,其增加的幅度非常显著。6 7.3. 在 FeMnSiCrNiC 合金中,碳含量低于 0.12时,随着碳含量的增加,形状记忆效应增加。高于 0.12时,则相反。 7.4.合金随着变形量的增加,形状恢复率随之下降,但可恢复变形量增加。但合金中含 0.120.18的碳时,下降速度趋缓。 7.5.在保证 FeMnSiCrNiC 合金获得最好的形状记忆效应的前提下,可允许碳含量达 0.1左右。这为非真空感应电炉冶炼提供了方便同时也可第一章

33、第 11 页 2019-5-1降低炉料成本有利于该合金的推广应用。 7.6.含碳高达 0.18的 FeMnSiCrNiC 合金,其生产成本远低于超低碳合金。而且只要中间退火温度适当,热机械循环能将其记忆效应的水平提高到超低碳合金的水平。67.7.逆相变加热的温度越高,冷却过程中产生的回复应力越大。9 7.8.合金加热时产生的最大回复应力 h 随时效温度的升高逐步增加,在1023K 时达到最大值,比固溶态时增加了 75;随后 h 将随时效温度的进一步升高迅速下降。但是当时效温度高于 1123K 后,时效温度的进一步升高对h 几乎没有影响。时效后合金加热时产生的最大回复应力都大于固溶态时的回复应力

34、。 7.9.时效温度对合金加热后冷却到室温时回复应力 c 的影响规律与其对 h的影响规律完全不同。当时效温度低于 l023K 时,时效温度的升高对 c 没有影响,但时效后的 c 比固溶态的高了 15Mpa。当时效温度高于 1023K 后,c随时效温度的升高而急剧下降到固溶态的水平。当时效温度高于 1123K 后,时效温度的进一步升高对 c 没有影响。10 7.10.在 l123K 时效时, Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C 系合金加热时产生的最大回复应力h 随时效时间的增加而升高在 300min 时达到最大值 121MPa,比固溶态时的60MPa 提高了 102;当时效时间大于 300min

35、后时效时间的进一步增加对h 没有影响。 7.11.时效时间对合金加热后冷却到室温时回复应力 c 的影响规律与其对 h的影响规律不同。c 随时效时间的增加而升高在 120min 时达到最大值,比固溶态增加了 8Mpa。当时效时间大于 180min 后,c 将随时间的进一步增加而快速下降。11 7.12.变形后再时效对合金形状记忆效应的提高比不变形直接时效的显著得多。变形后时效将合金的形状回复率提高了 190,而直接时效只提高了 83。 7.13.经 SEM 喝 TEM 发现,变形后再时效,变形引入的缺陷不仅减少了碳化物的析出,同时好抑制了碳化物粒子的长大;使第二相粒子主要在晶界上析出,而晶内几乎

36、没有。正是这两方面的原因导致变形后时效对合金形状记忆效应的提高比不变形直接时效的显著得多。12 形状记忆合金的应用 在形状记忆合金的应用中,最早获得专利的是美国的 Muldawer 小组,他们早在1960 年就利用 CdAgAu 合金制作了温度开关1。自从 TiNi 合金的形状记忆效应被发现后,应用开发的速度大大加快,申请获得专利的项目剧增。最典型的应用例子是航天飞机的伞型天线,为方便发射把它压扁附在船体上,飞船升空后受阳光的辐射而升温,于是天线便记忆起原来的形状,重新支起,如图81。此外,形状记忆合金在机械、电气、运输、化学、能源、宇航、医疗、生活用品等领域都得到了应用13。 折叠式展开天线

37、 机械 第一章 第 12 页 2019-5-1紧固件、连接件 8.1.1.1 管接头 NiTi 合金的第一个工业应用是用作自动紧固件,即用作受热收缩的管接头。它是于 1968 年由美国加州的 Raychem 公司生产的,取名为“Cryofit”,意思是低温下的紧固。使用方法是把制作好的记忆合金管接头一股内径比连接的管子外径小 4左右)放在低温(TMf)下扩大管径,然后套在要连接的管于头上(因为马氏体很柔软)。当管接头渐渐升温超过 As 温度时,它将收缩到原来的形状,从而将管于牢固地连接起来。如果这类管子在室温或室温以下工作的话,它们的结合是极为牢固的。美国海军军用飞机采用这种高效用的 NiTi

38、 接头已超过 30 万个,至今无一例失败。图 82 示意这种管接头的咬台情况2。 飞机用 NiTi 管接头的咬合 紧固铆钉 一般部件之间的连接固定采用铆钉、螺栓等连接件。当操作不能达到反面时,例如在密闭中空结构件中,就很难进行紧固操作。利用形状记忆合金材料形状回复的特点,将记忆合金做成铆钉,就可解决上面的难题。 动作原理如图 83 所示,形状记忆处理时,如高温相变使记忆如图 83(a)图形状,并设定相变温度 Af 低于室温。在连接作业前,将铆钉浸入冰或液态空气中充分冷却,然后将弯曲的端部弄直,如图 83(b),放入要连接部件的孔内,如图 833(c)。放置一定的时间,铆钉升到室温,就发生形状回

39、复,如图83(d)那样将板连接起来。 形状记忆合金连接铆钉动作原理 机械手 形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能,因此可以用形状记忆元件制作机器人、机械手,通过温度变化使其动作。图 84 是具有肩、肘、腕、手指 5 个自由度的微型机械手。手指和手腕靠 TiNi 合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作,肘和肩是靠直线状的 TiNi 合金丝的伸缩作弯曲动作。各个形状记忆合金元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。 微型机械手 这种机械手的最大特点是小型化,另一个重要特征是动作柔软,非常接近人手的动作,对取出落入水中的纸杯等工作十分合适。 电子器件 利用形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能,可制作各种

40、结构简单的电子器件,如各种温度自动调节器、火灾报警器、空调用风向自动调节器、能自动切第一章 第 13 页 2019-5-1断淋浴喷头过热水流的装置、过电流保护器等。在这些应用中,形状记忆合金都是集传感器和驱动器为一体,做到了集成化、功能器件化,而这正代表了目前传感器技术发展的潮流。有人预言,目前盛行的机电一体化将被更简单可靠的材料电子一体化所代替。 图 85 所示为电加热水壶的手柄控制器,柄内装有一只 SMAs 制作的弹簧。水开后,蒸汽吹至 SMAs 元件上发生马氏体向奥氏体相变,弹簧伸长带动按钮推开电触头,达到自动切断电源目的。同双金属片比较,SMAs 元件机构简单,双金屑片挠曲量相对 SM

41、As 要小得多。一块长 50mm、厚 l mm 的双金屑片在 100温差产生的挠度仅 2mm4mm,而在相同条件下 SMAs 却可得到 20mm 挠度,因而用后者更为灵敏可靠。 铜基形状记忆合金制作的电加热水壶控制器 近年来,由于微电子机械系统的发展,对新型驱动器的要求日益迫切,加之溅射工艺技术的长足进步,形状记忆合金薄膜作为新型驱动材料已脱颖而出,受到了人们的广泛注意。我们知道,形状记忆合金是通过热传导实现其形状记忆效应的。块状材料有响应性迟缓的缺点,但随着合金材料厚度的减薄,材料的表面积加大,增强了散热能力,从而提高了响应速度;同时因电阻率增大,提高了温度、应力检测的灵敏度,并且易于集成化

42、制造。可以断言,随着智能材料与结构以及微电子机构系统的发展,形状记忆合金薄膜将受到人们进一步的关注和重视。 运输 可用形状记忆合金制造汽车外壳。当车体遭到碰撞变形时,只要对损坏部分加热,就可自动恢复汽车的原来模样,另外,形状记忆合金丝也可夹创在汽车轮胎内,当紧急刹车时,因轮胎与地面摩擦产生大量热,使夹在轮胎中的合金丝动作,从而有效地刹车。 日本日产汽车公司 MID4 型车于 1985 年就用上了形状记忆合金排热装置。 该装置示意图如图 86 所示。排热口有 6 个挡板,每 3 个连成一组。用 2 个TiNi 合金做成的螺旋弹簧作为驱动元件 汽车上排热装置结构示意图 TiNi 合金做成的拉伸弹簧

43、的丝径为 2mm,回复动作温度设定为 Af60。温度滞后为 15。单个螺旋弹簧的回复力为 5kg,动作寿命为 20 万次。 优点在于自动开闭,节省能源。 发动机 节约能源和防止环境污染是全球性的重大课题。利用形状记忆合金的特性,制作热驱动引擎,即可利用工业废排温水、温泉、地热等低能热转换成机械能,又毫无公害。 1973 年,美国的 Banks1试制成第一台 TiNi 热机,利用形状记忆合金在高温,低温时发生相变,产生形状的改变,并伴随极大的应力,实现机械能户热能之间的相互转换。如图 87 4所示,其装置是一个水平放置的轮子,轮辐是偏心结构,每根轮辐上挂有用 TiNi 合金制成的 U 形环,轮子

44、下的水槽制成两个半第一章 第 14 页 2019-5-1圆,分别装入冷热水。当 U 型环进入热水槽时,就突然伸直,产生弹力。这种弹力有一部分沿轮子的切线作用,推动轮子旋转。当轮辐转入冷水槽内时,伸直的合金丝又恢复弯曲形状。尽管这种热机只产生了 0.5W 的功率(至 1983 年功率已达 20 W),但发展前景十分诱人,可以利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想。 镍钛诺尔热机的结构 迄今研制出的形状记忆合金热机大致可以分为:曲轴偏心式、斜板式、场式、重力式等。 宇航 在空间技术方面,形状记忆合金除如前文所述应用于航天飞机的伞形天线外,还应用于球爪型星箭自动解锁机构、交叉组装式复合材料管的锁紧系

45、统、记忆合金驱动展直的折叠式防护罩、自组装空间桁架、自伸展太阳能电池板等5。 医疗 TiNi 记忆合金以其良好的生物相容性、射线不透性和核磁共振无影响性成为继FeCrNi、CoCr、Ti6Al4V 合金之后在医学上得以广泛应用的金属材料。在整形外科中的应用,如:牙科正畸产品和根管预备器械、超弹性脊柱侧弯矫形棒、正骨外科等;在介入医学治疗中的应用,如:腔道内支架、血管支架、颅骨成形板和固定钉、医用超弹性导丝、下腔静脉滤器、心腔内异常通道栓堵器、介入放射学产品等。 由于美国、英国、日本等形状记忆合金的先进国家,对医学领域引进新的人体用材料的法律规定十分严格,所以除了口腔正畸方面普及应用外,大多还处

46、于动物实验和生物化学分析等中试阶段。 生活 形状记忆合金同样在生活中得到了广泛的应用烟灰缸、眼镜架、胸罩、热水控温阀、电加热水壶、自动开闭百叶窗等。 利用形状记忆合金的超弹性特性开发出的眼镜框,是形状记忆台应用中最早商品化助产品之一。 现在时兴的一种眼镜框结构是,在镜片的下侧开个槽,将吊镜片的金属丝嵌入槽内,然后两端和上部的框架连接。过去用的大多是 TiCr 合金,有的也用合成树脂。长期使用,比如经常擦镜片等,使合金丝伸长。镜片出现松动,甚至跌落。冬天,或去寒冷地带,由于镜片的收缩也可能出现镜片脱落这就希望下面的框架具有弹力,耐腐蚀,而且美观。具有超弹性特性的 TiNi 合金是理想的材料 将

47、TiNi 合金做成丝状、相变温度 Af 为5。材料的研磨、形状记忆处理中有一些需要解决的难点,其中尤其困难的是 TiNi 合金和镜框上部的连接,因为TiNi 合金的焊接是相当困难的。最后是采用铆接和螺钉连接并用。眼镜的框架结构如图 88(a)所示。连接方式如图 88(b)所示。这样的镜框经久耐用,镜第一章 第 15 页 2019-5-1片不会松动。 超弹性合金丝与镜架的结构(a)和连接方式(b)参 考 文 献 1 杨杰,吴月华形状记忆合金及其应用中国科学技术大学出版社,199352杨大智主编智能材料与智能系统天津大学出版社,2000123郭卫红,汪济奎现代功能材料及其应用化学工业出版社,200

48、284殷景华,王雅珍,鞠刚主编功能材料概论哈尔滨工业大学出版社,199985赵连城,蔡伟,郑玉峰合金的形状记忆效应与超弹性国防工业出版社,200216李宁,文玉华中间退火温度对 Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C 系合金记忆效应的影响金属热处理,1997(8)7 李宁,文玉华热机械循环对 Fe-Mn-Si-Cr-Ni 合金形状记忆效应的影响功能材料,1997,28(3) 8 李宁,文玉华碳含量对 Fe-Mn-Si-Cr-Ni 合金形状记忆效应的影响机械工程材料,1996,20(4) 9 李宁,文玉华等Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C 形状记忆合金回复应力的研究功能材料,1998,29(6) 10 李宁,文玉华,涂铭旌等时效温度对 Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C 记忆合金回复应力的影响功能材料,2000,31(5) 11 李宁,文玉华,涂铭旌等时效时间对 Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C 记忆合金回复应力的影响金属热处理,2000(9) 12 李宁,文玉华,胥永刚,涂铭旌等时效工艺对 Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C 记忆合金回复应力的影响功能材料,2002,33(6) 13刘建辉,李宁,文玉华形状记忆合金的应用机械,2001,28(3)

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