CN102383080A - 一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法，包括以下步骤：将镍钛形状记忆合金加工成圆柱形状，以过盈配合的方式装配到高度为镍钛形状记忆合金高度40％～60％的金属包套中，然后将镍钛形状记忆合金的两端涂上石墨；将装配好的镍钛形状记忆合金和金属包套固定在压力机上的上下砧之间，然后进行压缩变形，当镍钛形状记忆合金的压缩变形程度达70％以上时，镍钛形状记忆合金发生非晶或纳米晶化，将制备好的材料放在冲模上，用冲头将镍钛形状记忆合金从金属包套中冲下，实现料套的分离。本发明不需要专有设备，成本较低，可以显著提高镍钛形状记忆合金的塑性，实现镍钛形状记忆合金较大的冷塑性变形。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金属塑性成形领域的金属成形方法。
背景技术
镍钛形状记忆合金因为具有良好的形状记忆效应和超弹性，已经在工程领域得到了广泛的应用。镍钛形状记忆合金的塑性成形是制造镍钛形状记忆合金线材、棒材、管材、带材和板材必不可少的手段，而塑性成形对镍钛形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性等力学性能具有重要的影响。尤其是镍钛形状记忆合金的冷塑性成形，随着变形程度的不同，可能导致高密度孪晶、位错亚结构、纳米晶和非晶的产生，这将会抑制马氏体相变而影响镍钛形状记忆合金的形状记忆效应，但经过后续一定热处理之后，纳米晶化的镍钛形状记忆合金在保留一定的形状记忆效应之后，会表现出良好的超弹性和较高的力学性能。因此，近几年来，国内外许多学者开始致力于镍钛形状记忆合金冷变形条件下的大塑性变形(SPD)技术，实现镍钛形状记忆合金的纳米晶化和非晶化，主要有高压扭转(HPT)、冷轧和冷拔。
发明内容
本发明的目的在于提供不需要专有设备、成本较低的一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法，其特征是：
(1)将镍钛形状记忆合金加工成圆柱形状，以过盈配合的方式装配到高度为镍钛形状记忆合金高度40％～60％的金属包套中，并使镍钛形状记忆合金上下两端露出金属包套的部分高度相等，然后将镍钛形状记忆合金的两端涂上石墨；
(2)将装配好的镍钛形状记忆合金和金属包套固定在压力机上的上下砧之间，然后进行压缩变形，在压缩变形初期，包套未与上下砧接触，只有镍钛形状记忆合金发生压缩变形，镍钛形状记忆合金处于三向压应力状态，当镍钛形状记忆合金的压缩变形程度达70％以上时，镍钛形状记忆合金发生非晶或纳米晶化，从而制备出非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金；
(3)将制备好的材料放在冲模上，用冲头将镍钛形状记忆合金从金属包套中冲下，实现料套的分离。
本发明还可以包括：
1、在压缩变形时，先将镍钛形状记忆合金压缩到变形程度为40％～60％，在金属包套发生轴向压缩变形前停止压缩，然后采用冲模将镍钛形状记忆合金从包套金属中分离出，进行圆度平整之后，再次进行局部包套，并重复进行上述压缩变形，直到获得所需要的变形程度。
2、压缩变形时以不小于0.05秒-1的应变速率进行压缩变形。
本发明的优势在于：
1.该方法只需简单的模具在普通的液压机上即可制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金块体材料，不需要专有设备，成本较低。
2.在包套压缩过程中，镍钛形状记忆合金始终处于三向压应力的状态，可以显著提高镍钛形状记忆合金的塑性，实现镍钛形状记忆合金较大的冷塑性变形。
3.该方法采用局部包套压缩的形式，在保证金属包套不发生轴向压缩塑性变形的条件下，可以重复进行包套压缩，只需较小吨位的设备，实现镍钛形状记忆合金的大塑性变形，制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金大块体材料。
4.将实际生产中较大的镍钛形状记忆合金包套试样，缩小一定的比例，在INSTRON万能材料力学性能试验机上进行压缩试验，可以有效地分析金属流动规律、计算变形力，极大地节约生产成本。
5.对于局部包套压缩制备得到的非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金，通过普通的热处理便可以实现非晶镍钛形状记忆合金的纳米晶化。
附图说明
图1为本发明的镍钛形状记忆合金局部包套压缩基本原理图；
图2为镍钛形状记忆合金重复局部包套压缩示意图，图2a第一次包套后试样；图2b第一次压缩后；图2c第一次分离后；图2d第二次包套后试样；图2e第二次压缩后；图2f第二次分离后；
图3为局部包套压缩制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金实施例图，图3a为压缩前，图3b压缩后；
图4为局部包套压缩制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的TEM图，图4a为明场像，图4b选区电子衍射；
图5为经过热处理晶化后的纳米晶镍钛形状记忆合金的TEM图，图5a为明场像，图5b选区电子衍射。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～5，本发明提出的采用局部包套压缩形式实现镍钛形状记忆合金的大塑性变形，来制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的基本原理如图1所示。
将镍钛形状记忆合金2置于金属包套3中，通过选择高塑性、低强度的包套金属材料，并使上下砧板1和4与镍钛形状记忆合金之间进行良好地润滑，及有效地控制金属包套3在压缩变形过程中的尺寸，使镍钛形状记忆合金2处于较强的三向压应力状态，从而提高镍钛形状记忆合金2的塑性。
对于尺寸较小的镍钛形状记忆合金块体材料，可以通过一次性压缩，包套参与塑性变形，来实现镍钛形状记忆合金2的大塑性变形，制备出非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金。
为节省设备压力，对于尺寸较大的镍钛形状记忆合金块体材料，可以通过重复包套压缩实现镍钛形状记忆合金2的大塑性变形，每次压缩变形都是在包套金属3发生轴向压缩变形前即停止，即包套金属3的轴向不发生压缩变形，只会因镍钛形状记忆合金2的镦粗变形迫使其在径向和切向发生塑性变形，这样，上下砧板1和4只会与镍钛形状记忆合金2的端面发生接触，从而使得变形的投影面积大大减小，节省了很多压力，该过程的基本原理如图2所示。具体过程为：将局部包套的镍钛形状记忆合金放在上下砧板间进行压缩，使上下砧板1和4与镍钛形状记忆合金2的上下端面处于良好的润滑状态，当镍钛形状记忆合金2完全压入金属包套3之后，第一次包套压缩停止；然后通过机械压力手段取出，进行圆度平整之后，再次进行局部包套，并重复进行上述压缩变形，直到获得所需要的变形程度，实现镍钛形状记忆合金的完全非晶/纳米晶化。最后对制备的非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金，通过合适的热处理来制备完全的纳米晶镍钛形状记忆合金。
本发明的具体实施过程分为三个阶段：准备阶段、压缩变形阶段和料套分离阶段。
准备阶段：将镍钛形状记忆合金2加工成具有一定直径和高度的圆柱，然后以过盈配合的方式装配到具有一定外径、高度为镍钛形状记忆合金2高度50％的金属包套3中，并使镍钛形状记忆合金2上下两端露出金属包套3的部分高度相等，这里所选择的包套金属材料应具有高塑性、低强度的特点。然后将镍钛形状记忆合金2的两端涂上石墨以便压缩时有良好的润滑。
压缩变形阶段：将准备好的材料放在固定在压力机上的上下砧1和4之间，然后以较快的应变速率(一般为0.05以上)进行压缩变形。在压缩变形初期，由于包套3未与上下砧1和4接触，只有镍钛形状记忆合金2发生压缩变形，这样紧包在外面的金属包套3便会使镍钛形状记忆合金2处于较强的三向压应力状态，从而显著提高镍钛形状记忆合金2的塑性。当镍钛形状记忆合金2的压缩变形程度达70％以上时，便可使心部金属因剧烈的塑性变形而发生非晶或纳米晶化，从而制备出非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金。
料套分离阶段：将发生剧烈变形后的材料放在简易冲模上，用冲头将镍钛形状记忆合金2从金属包套3中冲下便可实现料套的分离。
当制备尺寸较大的镍钛形状记忆合金块体非晶/纳米晶材料时，可按下列步骤进行。
将局部包套的镍钛形状记忆合金放在上下砧板间进行压缩，使上下砧板1和4与镍钛形状记忆合金2的上下端面处于良好的润滑状态，先将镍钛形状记忆合金压缩到变形程度为50％，即在金属包套发生轴向压缩变形前停止压缩，然后采用简易冲模将镍钛形状记忆合金2从包套金属3中分离出，进行圆度平整之后，再次进行局部包套，并重复进行上述压缩变形，直到获得所需要的变形程度(一般累积变形程度为70％以上)，实现镍钛形状记忆合金的完全非晶/纳米晶化。最后对制备的非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金，通过合适的热处理来制备完全的纳米晶镍钛形状记忆合金。
以过盈配合的方式，将直径为4、高度为6的镍钛形状记忆合金圆柱试样装入外径为10、高度为3的低碳钢金属套中，在室温下放在INSTRON机上进行一次性压缩变形，变形程度为75％，如图4所示，在透射电镜(TEM)下观察表明，镍钛形状记忆合金已经发生了完全的非晶化/纳米晶化，如图5所示。将包套压缩大塑性变形制备的非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金在300℃保温2个小时，便可以实现非晶镍钛形状记忆合金的晶化，制备完全的纳米晶镍钛形状记忆合金。
Claims (3)
1.一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法，其特征是：
(1)将镍钛形状记忆合金加工成圆柱形状，以过盈配合的方式装配到高度为镍钛形状记忆合金高度40％～60％的金属包套中，并使镍钛形状记忆合金上下两端露出金属包套的部分高度相等，然后将镍钛形状记忆合金的两端涂上石墨；
(2)将装配好的镍钛形状记忆合金和金属包套固定在压力机上的上下砧之间，然后进行压缩变形，在压缩变形初期，包套未与上下砧接触，只有镍钛形状记忆合金发生压缩变形，镍钛形状记忆合金处于三向压应力状态，当镍钛形状记忆合金的压缩变形程度达70％以上时，镍钛形状记忆合金发生非晶或纳米晶化，从而制备出非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金；
(3)将制备好的材料放在冲模上，用冲头将镍钛形状记忆合金从金属包套中冲下，实现料套的分离。
2.根据权利要求1所述的一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法，其特征是：在压缩变形时，先将镍钛形状记忆合金压缩到变形程度为40％～60％，在金属包套发生轴向压缩变形前停止压缩，然后采用冲模将镍钛形状记忆合金从包套金属中分离出，进行圆度平整之后，再次进行局部包套，并重复进行上述压缩变形，直到获得所需要的变形程度。
3.根据权利要求1或2所述的一种局部包套大塑性变形制备非晶/纳米晶镍钛形状记忆合金的方法，其特征是：压缩变形时以不小于0.05秒-1的应变速率进行压缩变形。
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