CN102766833A

CN102766833A - 一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺

Info

Publication number: CN102766833A
Application number: CN2012102509375A
Authority: CN
Inventors: 司松海; 刘光磊; 李晓薇; 杨嵩; 张扣山
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2012-11-07

Abstract

一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺，属于记忆合金领域。其特征为：对镍钛钒记忆合金进行冷变形，其成分范围为：Ni:55.5~57.3wt%；Ti:41.8~43.4wt%；V:0.57~0.73wt%，相变点A_f=-35℃~-5℃）。当冷变形量为15~33%时，合金马氏体变体的体积明显增大，合金会获得很好的超弹性。

Description

一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺

技术领域

本发明属于记忆合金领域，特指一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺。

背景技术

随着形状记忆合金的飞速发展， NiTi基合金以其优良的形状记忆效应、超弹性以及良好的机械性能而得到了最广泛的应用。在记忆合金中，冷变形由于可以引入大量的位错而极大的强化母相，强化的母相在很大程度上可以增强合金的超弹性，这种现象已经在TiNi形状记忆合金中已经得到证实。近几年来人们致力于研究NiTiX三元合金的形状记忆方面的性能也取得了极其有价值的研究成果。随着生产技术的提高和科学技术的进步，人们对记忆合金的研究开始逐渐深入，也开始对记忆合金超弹性做了一定的研究，但是在众多的研究中，涉及到镍钛钒形状记忆合金的研究很少。目前，由于对冷变形TiNi合金的线性超弹性及其影响因素以及对冷变形TiNi合金中马氏体组织缺乏系统研究，已经严重影响了TiNi合金超弹性的工程应用。然而对基于TiNi合金基础之上的镍钛钒形状记忆合金研究更少，这也严重的阻碍了镍钛钒形状记忆合金的应用和发展，针对这一问题，本发明开发了一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺。经过查询，未见有相关专利发表。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用冷变形的方法，提高镍钛钒记忆合金的超弹性，扩大其应用范围。

本发明涉及一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺，其特征为：对镍钛钒记忆合金进行冷变形（其成分范围为：Ni:55.5~57.3wt%； Ti:41.8~43.4wt%；V:0.57~0.73wt%。相变点A_f=-35℃~-5℃），当冷变形量为15~33%时，合金马氏体变体的体积明显增大，合金会获得很好的超弹性。

测量冷压变形处理过的丝的厚度，利用公式

（d₁为变形前丝材的直径，d₂为变形后丝材的直径）计算出变形量，在不同的变形量下（表1）。

表1 压力与变形量之间的关系

Tab 3-1 The relation between pressure and deformation

对室温冷变形处理的不同试样做拉伸试验，试验在液压万能拉伸实验机上进行。拉伸试验的加载速率为1KN/min ，试样加载到1.2KN的时候保持5秒钟然后卸载，得到不同的拉伸力—变形量关系曲线，见图1。

相变超弹性与普通金属材料的弹性相比，表现出明显的加载和卸载平台，这实际上是形状记忆效应的另一种表现形式，也是由于热弹性马氏体相变。合金在施加载荷时屈服并产生变形是由于应力诱发马氏体相变产生了有利于取向的马氏体变体；卸载时，提供变形的应力诱发马氏体发生逆相变。与记忆效应类似，如果此应力诱发马氏体在晶体学上可逆，则表现除变形的恢复。如果应力诱发产生的马氏体继续被诱发为另一种马氏体，则可以出现多阶段相变超弹性，可以使相变超弹性产生的应变很大。

可以看出，试样在4.5%的变形下曲线与原始试样的曲线相比区别不是太大（如图1a，图1b所示），只是试样的残留变形略有减少，但是整体不大。这说明小的变形量对TiNiCr的弹性影响很小，这也是由于小的变形引入的位错不足以强化母相强度的原因。这与恢复率试验中出现的现象恰好吻合。随着变形的进一步增大，拉伸试验得到的曲线发生了较大的变化（如图1c所示）。从图1c中可以看出，试样的残留变形进一步减小，而且曲线上出现的应力平台与原始试样和变形量较小的试样相比几乎不是很明显。这表明母相在变形的影响下强度得到很大的提高，使应力诱发马氏体的临界值大幅度上升，从而我们在曲线上面发现不了明显的应力平台。当试样的变形进一步增大的时候，曲线的形状仍然有很明显的变化（如图1d）,与图1c相比曲线的面积进一步减小，试样的残留变形也有大幅度改观，这表明，试样的弹性随着变形量的增加，有了进一步的提高；同时应力平台也更不明显，这说明，弹性模量在增加，母相在变形量达到20％时继续得到强化。当试样的变形量增加到27％时，曲线的面积仍然有很明显的减小（图1e），应力平台更加不明显，残留的变形量也继续减少，也就是说，当变形量为27％的时候,试样的弹性仍然随着变形的增加而继续增加。但当变形为30％时，我们发现试样的残留变形虽然继续减小但是拉伸曲线已经与图1e相比没有什么大的变化。当冷轧压力继续升高，试样的变形增大的时候我们可以看出无论是曲线的形状还是变形的残余量都没有太大变化（图1f、图1g）。

通过上述实验我们发现，试样的弹性随着变形量的增大而增大；但是当试样在室温受冷变形量比较小时，对试样的弹性影响不大；当变形达到一定程度时，试样的弹性不再随着变形量的继续增大而增大；同时我们可以通过曲线看出，试样经过拉伸之后没有完全恢复到原来的尺寸，这是因为变形时每个晶粒要受到晶界和相邻不同晶粒的约束，当多晶体形状记忆合金受外力的作用时，晶粒的变形首先发生在取向有利的晶粒中；由于多晶体中每个晶粒的取向不同，晶粒的开始相变应力不相同，弹性极限也不相同；所以在加载过程中，某些晶粒首先达到一定的应力水平，从而发生塑性变形，卸载时变形量不能完全恢复，从而产生残余变形。

当试样在室温的条件下受到冷轧变形时，小的变形量不能显著影响试样的弹性。这是因为当试样承受的冷轧变形比较小时，变形引入的位错不足以使内部的母相强化，而使小变形量对试样的弹性影响程度很小。但是试样的弹性呈上升趋势，这就是说，小的变形量虽然不能使弹性大幅度上升，但是也可以使母相在一定程度上得到强化，只是强化的力度很小，只能使弹性小幅度的增加。当变形逐渐增大时，试样受外力变形而引入大量的位错，位错在母相中能够强化母相使母相的晶界不容易发生滑移，因此随着变形量的不断增加，试样的弹性也越来越好。也就是母相在变形量达到27%时，强度得到大幅度增加。但是当试样的冷变形量继续增加时，基体内部引入的位错已经到达极限状态，虽然变形量进一步增加，但是位错并不增大，这使得母相强度不再继续得到强化，这也就是我们所看到的试样随着变形量的增加而弹性变化却不大的原因。在试样弯曲时，弹性微孪晶在外力的作用下形核、张大，弹性微孪晶与基体间界面在推移过程中将与冷变形在基体中引入的位错等晶体缺陷发生交互作用，从而使发生交互作用的晶体缺陷消除或者是重新组合；在卸载的时候弹性微孪晶收缩，但是由于它已经与晶体缺陷发生了交互作用，难于回到原始位置。因此试样在卸载的时候产生了一定的残留变形。总之，经过较小的冷变形量的试样，母相屈服强度较低，应力诱发马氏体相变过程中易造成局部应力集中，使母相产生真实变形导致不可恢复应变，从而难以获得完全的非线性超弹性。试样经过较大的冷变形量后，试样的母相得到强化，由于局部应力集中而导致母相产生不可恢复应变的现象将被有效地抑制，所以易获得完全的相变超弹性。

附图说明

图1　不同冷变形下的应力-应变关系曲线

其中：a原始试样应力-应变关系曲线，b 变形为4.5%时应力-应变关系曲线，c 变形为15%时应力-应变关系曲线，d 变形为20%时应力—应变关系曲线，e 变形为27%时应力-应变关系曲线，f变形为33%时应力-应变关系曲线，g变形为27%时应力-应变关系曲线（实施例2的成分）。由图1可见，在本发明涉及的合金成分范围为内，当冷变形量为27%时，超弹性已达到最好（图1e，图1g）。

图2　不同冷变形量的显微组织（×400）

其中：a 原始试样的显微组织，b 15%变形量的显微组织，c 23%变形量的显微组织，d 27%变形量的显微组织。由图2可见，当冷变形量增大到27%时，马氏体变体的体积已达到最大值（图2d）。

具体实施方式

实施例1：

选取成分为，Ni: 55.5wt%；Ti: 41.8t%；V: 0.57%。相变点A_f=-5℃的记忆合金丝材，按表1进行冷变形，选用长度为11cm，直径为1.19mm的NiCTir形状记忆合金丝，利用YJ—450液压成型机上对其冷压变形。使用压力为 6MPa－14MPa（丝在大于14Mpa的压力下会承受不住压力而开裂）对记忆合金丝进行冷变形（压力与冷变形量之间的关系通过公式

来计算如表1所示）。

表1 压力与冷变形量之间的关系

编号	压力大小（MPa）	变形后的厚度(mm)	冷变形量（%）
				原始试样	0	—	—
1	6	1.1625	4.5%
				2	7	1.14	8.2%
3	8	1.099	15%
				4	9	1.0675	20%
5	10	1.045	23%
				6	11	1.018	27%
7	12	0.992	30%
				8	13	0.973	33%

将经过冷变形的记忆合金丝在WDW－10微机控制电子式万能拉伸试验机进行拉伸试验，以测试其超弹性。通过对拉伸试验曲线（见图1）可以看出，当冷变形量小于15%时，对超弹性影响很小；当冷变形量为20%的时候，超弹性开始变化显著，拉伸试验得到的应力-应变关系曲线面积逐步减小，试样的残留变形进一步减小，这表明，试样的超弹性随着变形量的增加而增加（图1d）。当冷变形量为27%时，超弹性已达到最好（图1e）。继续增加冷变形量，无论是应力-应变关系曲线的形状还是变形的残余量都没有太大变化（图1f），超弹性不再随着冷变形量的增加而上升。

实施例2：

选取成分为Ni: 57.3wt%；Ti: 43.4t%；V: 0.73%。，相变点A_f=-35℃的记忆合金丝材，如实施例1，按表1进行冷变形，将经过冷变形的记忆合金丝在WDW－10微机控制电子式万能拉伸试验机进行拉伸试验，以测试其超弹性。通过对拉伸试验曲线（见图1g）可以看出，当冷变形量为27%时，超弹性已达到最好（图1g）。

同时将不同冷变形量的合金丝在XQ－2型试样镶嵌机上镶嵌，镶嵌后的丝经过打磨，抛光后用腐蚀剂腐蚀。腐蚀剂为氢氟酸:硝酸=1:2.5。经腐蚀后的试样放在光学显微镜下观察。可以看到，冷变形使镍钛钒内部产生一种马氏体变体，当冷变形量增大到23%时，马氏体变体的体积明显增大，马氏体变体的形状不断增大的同时交织的也越来越复杂（见图2c）。当冷变形量增大到27%时，马氏体变体的体积已达到最大值（见图2d），这说明，冷变形能极大的引入位错。

Claims

1.一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺，其特征为：对镍钛钒形状记忆合金进行冷变形，其成分范围为：Ni:55.5~57.3wt%； Ti:41.8~43.4wt%；V:0.57~0.73wt%，相变点A_f=-35℃~-5℃，当冷变形量为15~33%时，合金马氏体变体的体积明显增大，合金会获得很好的超弹性。

2.根据权利要求1所述一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺，当冷变形量为20%的时候，超弹性开始变化显著，拉伸试验得到的应力－应变关系曲线面积逐步减小，试样的残留变形进一步减小，这表明，试样的超弹性随着变形量的增加而增加；当冷变形量为27%时，超弹性已达到最好；继续增加冷变形量，无论是应力－应变关系曲线的形状还是变形的残余量都没有太大变化，超弹性不再随着冷变形量的增加而上升。

3.根据权利要求1所述一种通过冷变形提高镍钛钒记忆合金超弹性的工艺，冷变形使镍钛钒内部产生一种马氏体变体，当冷变形量增大到23%时，马氏体变体的体积明显增大，马氏体变体的形状不断增大的同时交织的也越来越复杂，当冷变形量增大到27%时，马氏体变体的体积已达到最大值，这说明，冷变形能极大的引入位错。