于學(xué)勇，任 龍，楊 莉，郭國(guó)林

（常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

近年來(lái)，形狀記憶合金（SMA）作為智能材料在各重要領(lǐng)域的應(yīng)用日益為世人所矚目，尤其是NiTi合金，因其具有超彈性和良好的記憶性能，在航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.對(duì)于NiTi形狀記憶合金來(lái)說(shuō)，馬氏體片的重新取向和超彈性效應(yīng)使得該合金具有良好的記憶性能[1].當(dāng)合金受到應(yīng)力時(shí)，母相經(jīng)誘發(fā)發(fā)生相變，形成馬氏體；當(dāng)去除應(yīng)力后，發(fā)生逆馬氏體相變，應(yīng)變恢復(fù)，即為超彈性.而馬氏體的重新取向是指不穩(wěn)定類(lèi)型的馬氏體在受熱或應(yīng)力作用下，重新形成了帶有熱形核質(zhì)點(diǎn)的馬氏體或具有很高熱力學(xué)穩(wěn)定性的馬氏體[2].形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變溫度（Ms，Mf，As，Af）密切相關(guān)[3]，在熱彈性馬氏體相變動(dòng)力學(xué)中，力與溫度具有等效性，由溫度誘發(fā)的熱彈性馬氏體相變同樣可以由應(yīng)力來(lái)誘發(fā)[4]，因此通過(guò)形變來(lái)獲得應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，從而改善合金的組織結(jié)構(gòu)，以此來(lái)影響合金的相變行為是很有前景的研究方向.

迄今為止，在對(duì)NiTi形狀記憶合金的研究中，人們的研究工作主要集中在NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)上，對(duì)變形量與相變行為之間關(guān)系的研究還不夠深入.本文著重探討了冷軋變形對(duì)NiTi合金相變行為的影響，并較為深入地分析了合金的變形量對(duì)合金恢復(fù)性能的影響機(jī)制.

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)用合金是采用商業(yè)用純金屬材料在氬氣保護(hù)下，通過(guò)真空感應(yīng)爐熔煉制得.鑄錠在850℃熱鍛成3 mm的片材，然后進(jìn)行熱處理，工藝為1100℃×1 h水淬，熱處理后的片材做冷軋變形處理，變形量分別為0%、4%、15%、23%，處理后的試樣供實(shí)驗(yàn)使用.測(cè)得實(shí)驗(yàn)用合金的化學(xué)成分如表1所示.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)DSC測(cè)試儀測(cè)量合金相轉(zhuǎn)變溫度，試樣為12 mm長(zhǎng)、2 mm厚的片材（沿扎制方向切下），先以1℃/S的速率加熱至80℃，保溫5 min后，再以同樣的速率冷卻至-50℃，便得到一個(gè)熱循環(huán)的DSC曲線.金相試樣用10 ml氫氟酸+20 ml硝酸+100 ml水配制的溶液腐蝕制得，然后用Olympus光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析.

表1 實(shí)驗(yàn)用NiTi合金的化學(xué)成分（wt%）

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的相變行為

圖1是測(cè)試得到的NiTi形狀記憶合金的DSC曲線.由圖1可知，所有4個(gè)合金試樣在熱循環(huán)過(guò)程中，熱流值的變化表現(xiàn)出很大的差異性.從圖1（a）可以看出，在加熱過(guò)程中熱流值隨溫度的升高基本趨于穩(wěn)定，在這一過(guò)程中熱流值有顯著變化即出現(xiàn)了峰值.而在冷卻過(guò)程中，熱流值隨溫度的降低逐漸增大，并且熱流值同樣也出現(xiàn)了峰值，且相變峰平緩，相變溫度區(qū)間變寬，需要吸收更多的能量促使相變的進(jìn)行.圖1（b）為冷軋變形量為18%的合金的DSC曲線，在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中，看不出熱流值隨溫度變化的顯著規(guī)律，也沒(méi)觀察到相變熱流峰.圖1（c）為冷軋變形量為23%的合金的DSC曲線，從圖中可看出在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中，在升溫和降溫過(guò)程中都未出現(xiàn)明顯的相變熱流峰值.

固溶處理后的1#合金，在整個(gè)熱循環(huán)中出現(xiàn)了兩次峰值，加熱過(guò)程發(fā)生了B19’馬氏體向B2母相轉(zhuǎn)變的逆相變，測(cè)得As溫度為21℃，Mf溫度為63℃；冷卻過(guò)程中，發(fā)生了B2母相向B19’馬氏體轉(zhuǎn)變，Ms溫度為-7℃，Mf溫度-38℃.4#和5#試樣為變形量分別為15%和23%的合金，因冷軋變形使得合金中產(chǎn)生了大量的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體和孿晶、位錯(cuò)、滑移等晶體缺陷，大量纏結(jié)位錯(cuò)等晶體缺陷增加了馬氏體與奧氏體母相之間的相變驅(qū)動(dòng)力，較低的溫度變化不能提供足夠的B19’馬氏體向B2母相轉(zhuǎn)變能，相變過(guò)程被抑制，因此在DSC曲線上未觀察到明顯的熱流峰值.冷軋變形的確對(duì)NiTi形狀記憶合金的相變行為產(chǎn)生了顯著影響，但對(duì)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體和熱彈性馬氏體之間的相互作用及對(duì)相變特征的影響機(jī)制，從DSC曲線上還無(wú)法得到，尚需進(jìn)一步的探討.

圖1 NiTi合金的DSC關(guān)系曲線

2.2 金相組織

圖2顯示的是NiTi合金固溶處理和固溶處理后冷扎變形量為4%、15%、23%的四種合金的微觀組織，其組織包含B19’馬氏體，B2母相及R相.有關(guān)NiTi合金相組成的問(wèn)題，其他研究人員做了細(xì)致詳盡的研究，這里不再贅述.如圖2（a）所示，合金固溶處理后，B19’馬氏體和B2母相的晶粒完整均勻，隨著變形量的增大，晶粒開(kāi)始變形并隨之出現(xiàn)了纖維組織，變形量達(dá)到23%時(shí)，合金中的纖維組織非常顯著，且晶粒破碎嚴(yán)重，并且合金中出現(xiàn)了高密度位錯(cuò)和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相與原組織中的熱彈性馬氏體混在一起，從光學(xué)照片中無(wú)法分辨，但馬氏體相的含量明顯增多，如圖2（d）所示（白色部分）.

2.3 合金的形狀恢復(fù)率

圖2 NiTi合金試樣的光學(xué)顯微照片

NiTi合金主要作為智能材料用于航空航天，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，工況要求合金具有良好的形狀恢復(fù)率.從圖3可見(jiàn)，試樣形狀記憶效應(yīng)隨冷軋變形量的增大而下降.固溶處理后的形狀恢復(fù)率為75%，當(dāng)預(yù)變形量為4%時(shí)，合金的形狀恢復(fù)率仍然較高，隨著變形量的增大而急劇下降.變形量達(dá)到15%時(shí)，合金的形狀恢復(fù)率已經(jīng)下降至38%，隨后形狀恢復(fù)率又有所上升.冷軋變形時(shí)試樣受的是壓應(yīng)力.這種應(yīng)力狀態(tài)使得試樣組織中形成了應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，并且原有的熱馬氏體也重新取向，兩種馬氏體交織在一起且交叉比較嚴(yán)重，同時(shí)組織中還因變形產(chǎn)生了纖維組織和高密度位錯(cuò)，這些纖維組織本質(zhì)上是由優(yōu)先取向的γ和α絲織構(gòu)構(gòu)成的，而且合金的記憶效應(yīng)因織構(gòu)的取向而表現(xiàn)出各向異性，對(duì)馬氏體相變時(shí)界面遷移的阻礙作用增加，這都大大增加了合金的相變驅(qū)動(dòng)力[5].在退火時(shí)，不同取向的馬氏體在回復(fù)退火時(shí)產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)相互削弱甚至抵消，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，形狀記憶效應(yīng)降低，另外一些纖維組織和晶體缺陷無(wú)法消除也在一定程度上增加了相變阻力，而NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)主要是由B19’馬氏體和B2母相之間的可逆相變產(chǎn)生的，因此冷軋變形在這個(gè)層面上抑制了馬氏體與母相之間的相轉(zhuǎn)變.

圖3 試樣冷軋變形的形狀恢復(fù)率

3 結(jié)論

1）固溶處理后NiTi合金，在熱循環(huán)過(guò)程中發(fā)生了B19’馬氏體向B2母相之間的相變及逆相變，冷軋變形使得合金中產(chǎn)生了大量的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體和孿晶、位錯(cuò)、滑移等晶體缺陷，增加了馬氏體與奧氏體母相之間的相變驅(qū)動(dòng)力，相變過(guò)程被抑制，在DSC曲線上未觀察到明顯的熱流峰值.

2）NiTi合金固溶處理后的形狀恢復(fù)率為75%，隨著冷軋變形量增加，合金形狀恢復(fù)率下降，主要是因變形產(chǎn)生了不同取向的γ和α絲織構(gòu)，而且合金的記憶效應(yīng)因織構(gòu)的取向而表現(xiàn)出各向異性，對(duì)馬氏體相變時(shí)界面遷移的阻礙作用增加，從而使形狀恢復(fù)率降低.

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