记忆合金超弹应力的温度依赖性研究

引言NiTi记忆合金由于超弹性被广泛应用于医疗和航空等领域，其主要源于合金在加载/卸载过程中发生应力诱发正/逆马氏体相变NiTi记忆合金由于超弹性被广泛应用于医疗和航空等领域，其主要源于合金在加载/卸载过程中发生应力诱发正/逆马氏体相变。NiTi合金马氏体相变的超弹应力决定了马氏体相变发生的临界条件，对其应用至关重要。粗晶NiTi记忆合金应力诱发B2→B19′相变超弹应力随温度的降低而快速降低，其温度依赖性高达6-7MPa/K，显著降低了超弹应力的降温稳定性。当退火温度低于非晶NiTi记忆合金的晶化温度以后，退火后合金由非晶和纳米晶组成，难以获得更小晶粒尺寸(小于15nm)且由单一B2相组成的纳米晶NiTi记忆合金，难以通过细化晶粒进一步降低NiTi记忆合金超弹应力的温度依赖性。因此学者们假设若在纳米晶NiTi记忆合金的基体中引入Nb纳米线，则有望通过复合材料中Nb纳米线产生的第二相强化和纳米晶产生的细晶强化约束复合材料马氏体相变，由此调控复合材料超弹应力的温度依赖性。通过熔炼、锻造和拔丝获得平均晶粒尺寸为14nm的NiTi记忆合金和直径为20-50nm的Nb纳米线组成的复合材料，通过不同温度下的单轴拉伸测试研究复合材料马氏体相变超弹应力的温度依赖性，并进行相关机制的分析。PART.1合金制备与测试图a:样品横截面的TEM明场像照片和对应的选区电子衍射图采用真空感应熔炼获得原子百分比为Ti48Ni47Nb5合金，随后对合金在850℃进行锻造获得直径为16mm的棒材，再对合金在500℃拉拔获得直径为0.62mm丝材，将丝材在973K退火5min。然后在室温下对丝材进行拉拔变形，丝材的直径由0.62mm减小至0.3mm，中间不经过退火处理，最终丝材的拉拔变形量为77%（丝材横截面面积的减小率）。随后将冷拔后的丝材在613K下退火10min，获得纳米晶NiTi合金和Nb纳米线复合材料丝材。通过Q20型差示扫描量热仪（DSC）研究了丝材的相变行为，升温和降温速率为5K/min。WDTII-20型万能拉伸试验机用来研究复合丝材在不同温度下马氏体相变超弹应力的温度依赖性，拉伸样品的长度为80mm，标距为50mm，拉伸测试的应变速率为0.001s-1。通过FEITecnaiF20型透射电子显微镜表征了丝材的微观组织。图a对应的选区电子衍射照片，其中显示NiTi的衍射环和Nb的衍射环，表明退火后的丝材由NiTi和Nb纳米线组成。PART.2微观组织表征图b:样品中纳米晶NiTi的晶粒尺寸分布图图b表明NiTi的平均晶粒尺寸为14nm。纳米晶NiTi合金在降温过程中发生热诱发B2→R相变，且R相也可以应力诱发致B19′相变。由于本文主要研究纳米晶NiTi/Nb复合材料应力诱发B2→B19′相变超弹应力的温度依赖性，因此本文通过DSC研究了样品在升温和降温过程中的相变行为，以确定样品在不同温度下的相组成。DSC测试结果如图2所示，可以看出样品在降温和升温过程均呈现明显的潜热峰，且其热滞后约为5K，这和以往文献报道的NiTi记忆合金B2→R相变的温度滞后一致，表明样品在降温过程发生热诱发B2→R相变。其中，B2→R相变开始温度约为301K。由此，本文后续拉伸实验的温度应高于301K，以确保样品在加载前由单一B2相组成。图c:样品在降温和升温过程中的DSC曲线图d:样品在不同温度下的单轴拉伸的应力-应变曲线纳米晶NiTi/Nb复合材料在不同温度下单轴拉伸的应力-应变曲线，可以看出样品在不同温度下加载过程中均呈现明显的应力平台，表明其发生了吕德斯带型马氏体相变，和以往NiTi记忆合金应力诱发马氏体相变的应力-应变曲线一致。图e:马氏体相变超弹应力和温度的关系图e可以看出样品马氏体相变的超弹应力随着温度的降低而逐渐减小，当测试温度由376K降低至328K，样品马氏体相变的超弹应力由1087MPa减小至900MPa。图f:纳米晶NiTi/Nb复合材料和以报道的NiTi记忆合金关于B2→B19′相变超弹应力和测试温度的关系图g:纳米晶NiTi/Nb复合材料和以报道的NiTi记忆合金关于B2→B19′相变超弹应力的温度依赖性和平均超弹应力的关系图g可以看出纳米晶NiTi/Nb复合材料呈现高的超弹应力(1002MPa)和低的dσ/dT(4.1MPa/K)，这明显优于以往的NiTi记忆合金(其平均超弹应力为230~760MPa，dσ/dT为4.7~7.5MPa/K)。总结纳米晶NiTi/Nb复合材料应力诱发B2→B19′相变超弹应力的温度依赖性为4.1MPa/K，这明显低于以往NiTi记忆合金的B2→B19′相变。同时纳米晶NiTi/Nb复合材料应力诱发B2→B19′相变的平均超弹应力为1002MPa，高于以往NiTi记忆合金的