基于DSC法研究冷、热处理对NiTiNb记忆合金相变的影响

论文摘要

NiTiNb合金作为一种性能优异的形状记忆合金，已广泛应用于航空、船舶、汽车等各个工业领域。众所周知，形状记忆效应主要由马氏体相变及其逆相变所控制。因此，研究马氏体相变及其逆相变变化规律和机理对提高NiTiNb形状记忆合金的性能显得尤为重要。目前，国内外有关NiTiNb记忆合金的马氏体相变及其逆相变的基础研究很少，有关冷、热处理对NiTiNb记忆合金马氏体相变的研究更是鲜有报道。本论文在国家重大项目《记忆合金管接头的应用研究》的资助下，选择工程应用中NiTiNb记忆合金连接钛合金管与不锈钢管的可靠性作为考察对象，基于DSC法、扫描电镜及能谱分析等手段，探索了热处理工艺对NiTiNb记忆合金相变温度的调节优化，分析了马氏体相变及其逆相变温度变化的微观机理，达到准确量化马氏体相变温度及其逆相变温度的目的，为NiTiNb记忆合金的工程应用提供理论依据。在探索热处理工艺对NiTiNb记忆合金相变温度的调节优化过程中，主要研究了时效温度、时效时间、冷却速度和冷循环处理方式等对NiTiNb合金的相变温度、相变滞后、相变焓的影响，并对时效处理和冷处理的微观作用机理进行了详细考察。结果表明：时效温度、冷却速度、以及冷循环处理频率对NiTiNb合金的马氏体相变及其逆相变影响较明显，而时效时间、深冷处理对NiTiNb合金的基本性能影响不大。在研究时效温度对马氏体相变及其逆相变影响的过程中发现，在300℃~400℃处理温度之间，NiTiNb记忆合金存在一个敏感温度T，在此敏感温度处理时，其马氏体相变温度Ms发生突变，而在这个敏感温度之前或之后的温度区间，NiTiNb合金的相组成基本保持不变。微观分析表明，随着Nb元素的加入，一方面软化了母相在Ms时的屈服强度，降低了马氏体相变放热焓；另一方面由于Nb元素的扩散，取代基体相中的Ni位，引起基体中Ni/Ti原子比的微小变化，从而引起马氏体相变温度的变化。相同热处理温度下的不同冷却速度对NiTiNb记忆合金的马氏体相变及其逆相变的影响较明显，特别是马氏体相变温度Ms。相对原始试样，水冷方式对Ms的提高幅度最大（可达40℃），其次为空冷（可达30℃），变化最小的是炉冷冷却方式。因此，冷速越快，Ms提高幅度越多。但冷却速度对相变滞后、相变焓的影响并不显著。冷速对NiTiNb记忆合金马氏体相变温度变化主要原因在于基体中Ni/Ti原子比的微小变化以及试样中存在的残余应力、位错等缺陷的变化。循环冷处理次数对NiTiNb的影响存在两种情况：(1)当处理温度高于Ms或在Ms~Mf之间时，循环冷处理对NiTiNb记忆合金的相变及其逆相变温度、相变滞后宽度和相变焓影响不大；(2)当处理温度低于Mf时，循环冷处理对NiTiNb记忆合金相变温度产生明显影响。Ms、Mf、As和Af均随循环次数的增加而降低，其中Ms变化最为明显（变化幅度最大可达30℃）。NiTiNb记忆合金的相变滞后宽度随循环次数的增加而增加，当循环次数为15次时，其相变滞后宽度达到73.9℃。循环冷处理引起马氏体相变温度变化的主要原因是基体中Ni/Ti原子比的微小变化和重复升温和降温过程中形成的内应力场以及循环过程中引入的位错。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 形状记忆合金的概述
• 1.1.1 形状记忆合金的发展历程
• 1.1.2 形状记忆合金的基本特性
• 1.1.3 形状记忆合金的分类
• 1.1.4 形状记忆合金的应用
• 1.2 NiTiNb形状记忆合金的研究现状
• 1.2.1 NiTiNb合金的化学成分和显微组织
• 1.2.2 NiTiNb合金的马氏体相变
• 1.2.3 NiTiNb合金的宽滞后效应
• 1.2.4 NiTiNb合金的基本性能
• 1.3 差示扫描量热法
• 1.4 本文的研究目的及主要内容
• 第2章 时效处理对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 2.1 时效温度对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 2.1.1 实验方法
• 2.1.2 实验结果及分析
• 2.1.3 NiTiNb记忆合金时效处理后的微观组织
• 2.2 时效时间对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 实验结果及分析
• 2.3 时效时间对NiTiNb记忆合金的组织影响
• 2.4 小结
• 第3章 热处理中冷却速度对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 3.1 实验方法
• 3.2 实验结果及分析
• 3.2.1 冷却速度对NiTiNb记忆合金相变温度的影响
• 3.2.2 冷却速度对NiTiNb记忆合金相变滞后的影响
• 3.2.3 冷却方式对NiTiNb记忆合金相变平均焓变的影响
• 3.3 不同冷速处理后NiTiNb记忆合金的微观组织
• 3.4 小结
• 第4章 冷处理对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 4.1 深冷处理对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 实验结果及分析
• 4.1.3 NiTiNb记忆合金经深冷处理后的微观组织
• 4.2 循环冷处理对NiTiNb记忆合金相变的影响
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 循环冷处理过程中NiTiNb记忆合金马氏体相变的微观机理
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢