Cu-Al-Mn系低温形状记忆合金的微结构研究.pdf

第5 9 卷第4 期 2007 年11 月 有 色金 属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 。N o ．4 N o v e I n b e t200 7 C u A 1 一M n 系低温形状记忆合金的微结构研究 李崇剑，郑玉红，万发荣，龙毅 北京科技大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要研究C u ．A l 。M n 系低温形状记忆合金的微观组织结构和马氏体相交温度M ，的关系。结果表明。合金的M J 点隧～ 和M n 含量增加丽显著降低。通过合适的成分设计，得到了M 。约为1 1 0 K 的C u A I M n 系形状记忆合金。 关键词金属材料；C u - A I - M n ；形状记忆效应；微结构；低温 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 T G l 3 9 ．6 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 4 0 0 0 4 0 4 在形状记忆合金中，C u 基形状记忆合金由于成 本低，易加工，记忆性能良好，一直受到重视L 1 - 1 引。 C u A 1 ，M n 系合金的优点在于良好的延性和显著的 形状记忆效应及伪弹性，目前研究的C u ．A 1 ．M n 系 合金形状记忆效应温度多为1 7 3 ～4 7 3 k L 9J 。然而， 对于利用液氮冷却的装置和系统，如果能够采用形 状记忆效应温度为1 0 0 k 左右的记忆合金制成阀门， 将能够节约液氮使用量，达到节约能源的目的。 关于合金成分对于低温C u A I ．M n 系形状记忆 合金M 。温度的影响，已有一些经验公式。G ．Z a k 等人1 7J 研究了C u 含量7 9 ％～8 1 ％，A 1 含量8 ％～ 9 ．5 ％，M n 含量约为1 0 ．9 ％～1 2 ％的合金，发现C u 基形状记忆合金的马氏体相变温度M 。对其化学成 分非常敏感，通过增加～和M n 含量能有效地降低 C u ．A I ，M n 合金的M ，温度，但灿含量超过1 3 ％时， 就会使合金变硬变脆。M n 含量不得超过1 2 ％，以 防止脆性也相的生成和改进其冷加工性能。成分 对于低温C u ．A 1 一M n 系形状记忆合金脱温度的影 响，可以用经验公式 1 描述【7 J 。 M K 1 1 9 2 2 5 ．5 “ C O A l 一7 3 ．2 W M 。 1 L o p e zd e lC a s t i l l o 等人研究了C u 含量8 1 ％～ 8 5 ％，趾含量1 0 ％～1 l ％，M n 含量约为5 ％～ 7 ．5 ％的C u A 1 一M n 合金，结果发现增加l ％的M n 可 使M ；温度降低约4 5 ～5 1 ℃，而加1 ％的灿则可使 M 降低约1 2 6 ℃。此时M ，与合金成分的关系可 ． 收稿日期2 0 0 6 0 1 1 0 作者简介李崇剑 1 9 7 8 一 。男，河北沧州市人。硕士生，主要从事 记忆合金等方面的研究。 万发荣 1 9 5 5 一 ，男，江鹾南昌市人，教授，博士生导师。 主要从事记忆合金等方面的研究。 以用的经验公式 2 表示一J 。K a i n u m aR ．等在 l O ％- - 2 0 ％A I ，7 ％～1 4 ％M n 物质的量 范围L 1 0 j 利 用等M 。线经回归得到经验式 3 。然而，3 个经验 公式所适应的成分范围不同。从图1 中可以看出彼 此并不一致，因此不能简单的作为研究M ，为1 0 0 K 的低温形状记忆合金的依据，但可以看出，旭的变 化对成分确实非常敏感。例如，1 ％的～的变化就 会引起M J 变化几十度。 Z 、 越 廷 P 连 M n 含量，％ 图lA l 含量为1 3 ％时公式对比曲线 F i g ．1 C o n t r a c ta m o n gf o r m u l a e 1 3 ％A I M ， ℃ 1 7 1 01 1 2 7 ．4 “ t V A I 一4 3 ．6 叫M 。 2 眠 K 2 1 2 9 6 3 ．2 z h , ．一6 3 ．9 X M 。 3 为了寻找具有1 0 0 K 左右的M ，点的形状记忆 合金，研究了不同成分的C u A I M n 系记忆合金的 组织结构变化及对记忆效应温度的影响。 l实验方法 利用高纯度铜、铝、锰制备表1 所示的2 种成分 的C u A 1 一M n 合金，在C u ．A 1 一M n 三元相图中，这2 个成分的大致位置如A 和B 所示表l 给出了利 用公式 1 ～ 3 计算得到的M 。值，这些M ，值仅 作为参考 例如，一1 9 ．9 K 无意义 。 万方数据 第4 期李崇剑等C u - A I - M n 系低温形状记忆合金的微结构研究5 将合金样品经过研磨后进行机械抛光，用分析 纯硝酸对样品表面进行浸蚀，再用丙酮清洗样品表 面，在金相显微镜下观察其表面组织，并利用扫描电 镜观察试样表面形貌，测定不同区域的成分。透射 电镜样品的制备过程为首先将样品研磨，厚度至 0 ．1 m m ，再将样品进行电解双喷，利用透射电镜观 察合金微观组织和结构。 表1 合金的配料化学成分与M ，计算值 T a b l e 。1C h e r r a e a lc o m p o s i t i o n sa n dM Io fC u - A i M na l l o y s 试验采用的淬火热处理工艺是在9 5 0 ℃保温 3 0 m i n ，淬人冷水中。测试马氏体相变的方法有很 多。通过测量试样的形变量来测试合金的马氏体相 变初始温度。利用电火花加工方法，将合金试样制 成弹簧样品，利用自制的装置测试弹簧样品的形状 变化与温度的关系J 。 图2 高温C u - A I - M n 三元相图 F i g ．2 P h a s ed i g r a mo fC u - A I M na th i g ht e m p e r a t u r e 2 试验结果与讨论 图3 ～图6 分别是1 号和2 号合金淬火热处理 出物，这些析出物除了在晶粒内形成外 见图6 ，还 有在晶界集中的趋势 见图4 ，而1 号合金中则没 有发现析出物 见图3 和图5 。 图42 号合金金相组织 F i g ．4 M i c r o s t r u e t u r eo fN 0 2s p e c i m e n 图51 号合金基体组织中无析出物 F i g ．5 N op r e c i p i t a t ei n №1s p e c i m e n 图62 号合金基体组织中的析出物 F i g ．6P r e c i p i t a t ei nN 0 2s p e c i m e n 图7 和图8 是室温百l 号合金透射电镜照片及 衍射花样。可以看出此时1 号合金中的有序结构。 图9 和图1 0 是扫描电镜观察下各个合金的表 面形貌。可以清晰地看到晶界，并且2 号合金有析 出物。通过能谱分析基体、晶界、析出物的成分，结 图31 号合金金相组织 果如表2 所示。发现晶界处的A 1 和M n 成分略高 F i g ．3 M i c r o s t r u 。t u r eo f №ls D e c i m 吼 予基体，析出物为富含C u 的d 相。 ‘ 前的金相组织。可以看出，2 号合金中出现大量析 万方数据 6有色金属 第5 9 卷 图71 号合金T E M 照片 F i g ．7T E Mi m a g eo f №ls p e c i m e n 图81 号合金电子衍射花样 F i g ．8S A E Do f №ls p e c i m e n 表2 热处理后C u - A I - M n 合金不同区域的化学成分 T a b l e ．2C o m p o s i t i o no fC u - A 1 - M na l l o ya f t e rh e a tt r e a 删 图91 号合金扫描电镜照片 F i g ．9S E Mi m a g eo fK o1s p e c i m e n 每图1 02 号合金扫描电镜照片 F i g ．1 0 S E Mi m a g eo f №2s p e c i m e n 图1 1 和1 2 是合金在淬火热处理后的金相组织。 1 号与2 号合金淬火热处理后均未发现析出物。 图1 11 号合金淬火后金相组织 F i g ．1 1M i c r o s t r u e t u r eo f №1s p e c i m e na f t e rq u e n c h e d 图1 22 号合金淬火后金相照片 F i g ．1 2M i e r o s t r u c t u r eo f №1s p e c i m e na f t e rq u e n c h e d 通过相变与形变量的对应关系，测定弹簧样品 的M 。温度。弹簧样品在室温时的母相为奥氏体状 态，当温度降低到M I 时，母相向马氏体转变，此时， 弹簧样品的形变量迅速发生变化。从该形状发生迅 速变化的温度，可以得到马氏体相变温度M ，。由 图1 3 和1 4 可知，1 号弹簧样品的M s 温度约为 1 1 0 K ，2 号弹簧样品M s 温度约为2 6 0 K 。 万方数据