资源描述：
第6 1 卷第4 期 2009 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u M e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 N o v e m b e r ．20 09 T i 一5 0 ．8 ％N i 合金不同温度下的力学行为 李崇剑，王江波，冯昭伟，刘伟，袁志山 北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司，北京10 2 2 0 0 摘要研究T i 一5 0 ．8 ％N i 形状记忆合金丝在一5 0 t 1 2 1 1 0 。C 的力学性能以及力学性能、残余应变、屈服平台与温度之间的 关系。结果表明，在不同温度下，材料表现出不同的力学特征，1 0 。C 以上材料表现出超弹性，但当温度达到1 1 0 。C 以上时，超弹性消 失。l O ℃以下，材料表现出形状记忆效应。1 0 。C 左右时，应力诱发马氏体达到最大量，最大可回复应变为7 ．5 ％，此时屈服平台最 宽，残余应变最小，超弹性最好。随着温度和应力的增加，不可逆塑性变形的比值增加，超弹性变形逐渐减弱以至消失。 关键词金属材料；T i N i 合金；记忆合金；超弹性；力学性能 中图分类号T G l 3 9 ．6 ；T G l l 3 ．2 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 0 0 9 0 4 0 0 1 4 0 4 迄今为止，已经对T i N i 记忆合金的形状记忆效 应及超弹性进行了大量研究“1 。T i N i 合金具有良 好的生物相容性，在各种生理溶液或介质中具有良 好的耐腐蚀性，因此在医学方面获得了广泛的应用。 其中，T i ．5 0 ．8 ％N i 细丝是应用最广的产品之一，其 产品主要有牙齿矫形丝、编织型内支架、手术缝合 线、医用导丝等产品。T i N i 丝材在使用前，均需要具 备必需的形状记忆性能或超弹性性能，因此对T i 一 5 0 ．8 ％N i 丝材力学性能的研究大有必要。到目前 为止，对T i ．5 0 ．8 ％N i 丝材的超弹性研究比较多，但 在一5 0 ℃一l l O ℃范围内，力学性能相关的研究报道 比较少，因此，进一步研究T i 一5 0 ．8 ％N i 丝材在不同 温度下的力学性能，从而扩大该材料的应用。 测试了T i 一5 0 ．8 ％N i 记忆合金丝在不同温度 下的拉伸力学性能和加载一卸载的力学曲线，为研 究T i N i 形状记忆合金在不同温度下的力学性能提 供了参考依据。 1实验方法 试验材料采用有研亿金新材料股份有限公司生 产的名义成分为T i 一5 0 ．8 ％N i 的丝材。原材料采 用真空感应炉熔炼，均匀化热处理后经锻造、轧制、 旋锻，加工成 3 ．0 m m 的丝材，再经5 5 0 0 C 一6 0 0 0 C 热 拉至 1 ．0 m m 的丝材，拉拔的道次加工率约为2 0 ％。 T i N i 丝材样品采用N E T Z S C HD S C 2 0 0 一P C 的 D S C 测得的相变温度分别为肘， 一3 9 ℃，M 。 一 收稿日期2 0 0 7 0 9 1 3 作者简介李崇剑 1 9 7 8 一 ，男，回族，河北沧州市人，工程师，硕 士，主要从事T i N i 形状记忆合金方面的研究。 2 0 ．5 ℃，A 。 一8 ．7 。C ，A ， 8 ．5 。C 。这说明T i N i 丝在 8 ．5 ℃以上处于母相状态，在一3 9 ℃以下处于马氏体 状态。采用C S S - 4 4 2 0 0 变温拉伸机测试T i N i 丝在 不同温度下的力学性能，试样工作部分长度为 1 0 0 r a m ，拉伸速率为3 m m ／m i n ，步骤是 1 将T i N i 丝在不同温度下恒温拉伸至材料断裂； 2 将T i N i 丝在不同温度下恒温拉伸至6 ．0 ％应变，再卸载至 零载荷。 2试验结果与讨论 2 ．1 拉伸性能 图l 为T i - 5 0 ．8 ％N i 试验材料在不同温度下拉 伸至断裂时应力．应变曲线。 1 在一5 0 ℃下，如图l a 所示，试样处于马氏 体状态，屈服强度比较低，盯，约为1 0 0 M P a ，断裂总 延伸率达1 4 ％。当变形达到4 ．5 ％时，曲线开始上 翘。 2 在一3 0 ℃一8 。C 范围内，如图l b 所示，试 样曲线形式相似。当T A ，时，如图l C ，材料处 于母相状态，从B 点开始，应力诱发马氏体。至C 点，应力诱发马氏体结束，C D 段为应力诱发马氏体 的弹性变形阶段。随着试验温度的升高，诱发马氏 体相变的临界应力盯。增加。C D 段逐渐变短，说明 应力诱发产生的马氏体逐渐减少。 3 当温度高于 1 1 0 。C 时，如图1 d 所示，在拉伸过程中没有应力诱 发马氏体相变，曲线中C D 段消失了，因此合金的 肘。点一应力诱发马氏体相变的最高温度为l1 0 。C 。 图2 是试验材料的屈服强度盯，和试验温度的 关系曲线。随着温度的改变，合金丝的相组成和相 比例都发生变化，由热激活机制可知，温度越高，需 要用来提供内部相变的能量越高，所以诱发马氏体 万方数据 第4 期 李崇剑等T i 一5 0 ．8 ％N i 合金不同温度下的力学行为 1 5 相变所需的临界应力o r 。随温度升高而增加。在 1 0 。C 附近，屈服强度发生跃变，这个温度正好处于 蛊 善 醛 肇 鬻 唾 叠 、 R 韬 罡 蒌 R 铡 ￡ 罨 农 翻 A ，点附近，此时材料完全处于母相状态，需要足够 大的应力诱发马氏体相变，所以屈服强度迅速上升。 图lT i 一5 0 ．8 ％N i 不同温度下拉伸至断裂时应力一应变曲线 F i g ．1 S t r e s s s t r a i nc u r v e so fT i - 5 0 ．8 ％N ia l l o ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图2T i N i 合金丝不同温度下屈服强度 F i g ．2Y i e l d s t r e n g t ha td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图3 是屈服平台宽度和温度的曲线，从图3 可 以看出，当材料完全处于马氏体状态下，屈服平台很 窄，随着温度的升高，材料的屈服平台增宽，当温度 进一步升高到A ，附近时，屈服平台最宽，此时应力 诱发马氏体达到最大量，最大可回复应变为7 ．5 ％。 此后，随着温度升高，屈服平台变窄。这主要是因为 温度在A ，点以上时，随温度升高，总变形中的塑性 滑移变形之比重会愈来愈大，而超弹性变形的比重 则会愈来愈小。当温度进一步升高到肘。以上时， 材料失去超弹性，平台宽度突然下降。 2 ．2 加载一卸载应力应变曲线 逮 餐 图3 不同温度下屈服平台宽度 F i g ．3 W i d t ho fy i e l d p l a t f o r ma td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图4 是试样加载到6 ％以后再卸载的应力．应变 曲线。图4 a 是马氏体状态下的应力应变曲线， A D 为“残余应变”，将材料加热到A ，点以上时，“残 余应变”消失，材料表现出形状记忆效应。图4 b 中，A F 段是由于材料在变形中产生塑性变形留下的 残余变形。从图4 可以看出，随着温度的升高，材料 回弹的“下平台”D E 段逐渐变短，到1 1 0 0 C 时，D E 段 消失，T i N i 合金失去超弹性。 图5 是不同温度卸载后，材料“残余应变”与温 度的关系曲线。可以看出，当温度达到1 0 ℃以上 时，残余应变突降，此时正好在A ，点附近，材料表现 万方数据 1 6有色金属第6 1 卷 图4 不同温度下试样加载到6 ％以后卸载的应力- 应变曲线 F i g ．4 S t r a i n s t r e s sc u r v e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 出超弹性。当温度达到1 l O T 以上时，残余应变突 然增加，此时材料失去超弹性。这主要是因为当试 验温度高于A ，时，随着温度升高，滑移变形临界 堡 制 翻 谣 镁 图5 不同温度下的“残余应变” F i g ．5 R e s i d u a ls t r a i na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 应力与诱发马氏体所需临界应力之间的差值愈来愈 小，外加应力除诱发马氏体相变外，还引发了基于位 错机制的滑移变形 不可逆塑性变形 ，并且随着试 验温度的升高，不可逆塑性变形将逐步增加，到了 1 1 0 ℃温度时，试样在卸载过程中基本上只呈弹性回 复，说明试样在这种情况下只有很少的 甚至已难 以发生 应力诱导马氏体相变了。 3结论 试验材料在1 0 ℃附近时产生最大可回复应变， 最大可回复应变达7 ．5 ％。在I O 。C 以下，试验材料 表现出形状记忆效应，1 0 ℃以上表现出超弹性，当温 度达到1 1 0 。C 以上时，超弹性消失，力学性能同普通 金属材料相似。试样材料在I O 。C 点附近时，应力诱 发马氏体达到最大量，此时残余应变最小，屈服平台 最宽，超弹性性能最好。随着温度的升高，应力诱发 马氏体变形时产生滑移变形，残余应变增加 参考文献 [ 1 ] 杨杰，吴月华．形状记忆合金及其应用[ M ] ．合肥中国科学技术大学出版社，1 9 9 3 2 6 9 2 ． [ 2 ] T r o c h uF 。S a e e p eN ，V o l k o v0 ，e ta 1 ．C h a r a c t e r i z a t i o no fN i T is h a p em e m o r ya l l o y su s i n gd u a lk r i g i n gi n t e r p o l a t i o n [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，A 2 7 3 2 7 5 3 9 5 3 9 9 ． [ 3 ] B e l y a e vSP ，M o r o z o vNF ，R a z o vAI ，e ta LS h a p em e m o r ye f f e c ti nt i t a n i u m n i c k e la f t e rp r o l i m i n a r yd y n a m i cd e f o r m a t i o n [ M ] ／／C h uYY ，Z h a oLC ．S h a p em e m o r ym a t e r i a l sa n di t sa p p l i c a t i o n s ．S w i t z e r l a n d T r a n sT e c hP u b l i c a t i o n sL t d ，2 0 0 2 3 3 7 3 4 0 万方数据 第4 期李崇剑等T i 一5 0 ．8 ％N i 合金不同温度下的力学行为 1 7 [ 4 ] 黄学文，董光能，周仲荣，等．待应变速率对T i N i 形状记忆合金压缩力学行为的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 4 。1 4 7 1 1 6 8 1 1 7 0 ． 【5 ] 高万夫，崔立山，李岩，等．超弹性N i T i 记忆合金平台应力在约束加热过程中的变化[ J ] ．机械工程，2 0 0 2 ，C 4 3 0 一3 2 ． [ 6 ] 朱珏，张明华，董新龙，等．不同温度下钛镍形状记忆合金的超弹性特性[ J ] ．宁波大学学报 理工版 ，2 0 0 3 ，1 6 2 1 3 6 一1 3 9 ． M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fT i - 5 0 ．8 ％N iA l l o ya tD i f f e r e n tT e m p e r a t u r e ／2C h o n g - j 诅n ，W A N G | i 4 n g b o ，F E N GZ h a o w e i ，L I UW e i ，Y U A NZ h i S h a l l G r i k i nA d v a n c e dM a t e r i a l sC o ．。L t d ．，G e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u s M e t a l sB e i j i n g ，B e 彬n g1 0 2 2 0 0 。C h i n a A b s t r a c t T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fT i 一5 0 ．8 ％N is h a p em e m o r ya l l o yw i r ea r ei n v e s t i g a t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e f r o m ．5 0 。Ct ol1 0 。C ．T h er e l a t i o n s h i po fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ．r e s i d u a l - s t r a i na n dy i e l d - p l a t f o r mw i t ht e m p e r a t u r e i sd e s c r i b e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h em a t e r i a l p e r f o r m s d i f f e r e n tm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a t e r i a la b o v el O ℃p e r f o r m ss u p e r e l a s t i c i t y ，b u tw h e nt h et e m p e r a t u r er e a c h e s11 0 。C ，t h e s u p e r e l a s t i c i t yd i s a p p e a r s ．B e l o wI O 。Ct h em a t e r i a ls h o w ss h a p em e m o r ye f f e c t ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o w t h a tw h e ni ti sa b o u t1 0 0 C ，t h es t r e s si n d u c e sm a r t e n s i t ew h i c ha c h i e v e st h em o s tm a s s i v e ，t h em a x i m u mb a c k s t r a i ni s7 ．5 ％．t h ey i e l d - p l a t f o r mi st h ew i d e s ta n dt h es u p e r e l a s t i c i t yi st h eb e s t ．W i t ht h ei n c r e a s eo fb o t hs t r e s s a n dt e m p e r a t u r e ，t h er a t i oo ft h ei r r e v e r s i b l ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h et o t a ld e f o r m a t i o ni sg r a d u a l l yi n c r e a s e d ． W h i l et h er a t i oo ft h er e v e r s i b l es u p e r e l a s t i cd e f o r m a t i o nd e c r e a s e sa n df i n a l l yd i s a p p e a r s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；T i N ia l l o y ；s h a p em e m o r ya l l o y ；s u p e r - e l a s t i c i t y ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 万方数据
展开阅读全文
