CN102787285B - 一种获得sma材料双程记忆效应的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种获得SMA材料双程记忆效应的热处理方法，该方法包括：将SMA材料进行拉伸、弯曲或扭转，并保持拉伸、弯曲或扭转后的形状不变，再用高频感应加热线圈对SMA材料表层金属进行加热，并控制一定的加热温度和保温时间，随后解除SMA材料两端的约束，使其在室温自然对流换热条件下冷却。通过该方法处理后的SMA材料表层和内层晶体组织不同，内层在加热时温度较低，晶体组织基本不变，表现出形状记忆效应，作为驱动材料，表层加热时温度较高，晶体组织发生变化，表现出超弹性，作为弹性恢复材料，表层和内层相互配合能形成双程形状记忆效应，制得的双程SMA驱动元件结构简单、尺寸紧凑，非常适合用于驱动器中作为驱动元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用高频感应加热只能加热材料表层，从而对SMA材料表层进行热处理，使其形成表层为超弹性材料、内层为形状记忆特性材料，从而获得较大SMA材料双程记忆效应的热处理方法。
背景技术
形状记忆合金（Shape Memory Alloys,SMA）因其特殊的形状记忆特性和超弹性而被广泛用于工程中作为驱动器的驱动元件，如航天器上使用的连接与分离机构、卫星太阳翼的展开机构、自动温控阀门机器人手等。在很多应用场合，SMA驱动元件必须和偏置弹性元件（如弹簧）等相互配合来实现双程形状记忆输出，这样的设计结构比较复杂，结构尺寸较大，不利于发驱动器的小型化及简单可靠化发展。而通过训练具有双程形状记忆输出的SMA驱动元件，它自身同时具有驱动功能和偏置弹性回复功能，可以很好的解决这一问题。
现有的技术对于双程形状记忆效应的训练一般都通过循环热机械加载的方法，这一类方法训练获得的双程形状记忆效应比较有限，通常其回复应变只有1%左右，而且随着循环作动次数的增加，其回复应变还会进一步缩小。因此需要一种简单的能提高双程形状记忆效应的训练方法。
发明内容
本发明主要解决双程形状记忆效应训练方法中存在的训练过程复杂耗时、双程形状记忆效应比较有限和随着循环作动次数的增加，其回复应变还会进一步缩小的问题，提供了一种步骤简单、无需进行多次循环训练、处理后双程回复应变比传统方法高，制得的双程SMA驱动元件结构简单、尺寸紧凑的双程形状记忆效应的训练方法。
本发明采用的技术方案为：一种获得SMA材料双程记忆效应的热处理方法，包括以下步骤：
步骤（一）、通过材料试验机对SMA材料进行拉伸、弯曲或扭转，并保持拉伸、弯曲或扭转后的形状不变，SMA材料是棒材或板材；
步骤（二）、用高频感应加热线圈对SMA材料表层金属进行加热，高频感应加热炉的频率要在10KHz以上，以保证被加热层仅为材料表层0.5-2.5mm；
步骤（三）、控制高频感应加热的频率、加热时间，同时监测SMA材料表面的温度；
步骤（四）、到达保温时间后，首先解除对SMA材料的机械约束，然后在室温对流换热条件下冷却，即得到了较大双程回复应变的双程SMA驱动元件。
进一步的，步骤（一）所述的材料试验机为电子万能试验机。
进一步的，步骤（二）所述的高频感应在10KHz以上。
进一步的，步骤（三）中所述的监测SMA材料表面的温度具体为：通过热电偶温度传感器或红外测温仪或红外热像仪保证SMA材料表面的加热温度及保温时间。也可以使用其他温度传感器。
本发明与现有的技术相比，步骤简单、无需进行多次循环训练、处理后双程回复应变比传统方法高，制得的双程SMA驱动元件结构简单、尺寸紧凑。具体表现在以下几个方面：
（1）、本发明通过高频感应热处理，得到了表层及内层晶体组织不一样的SMA材料，从而具有双程形状记忆效应，该方法和传统的SMA材料和偏置弹簧配合以实现双程形状记忆效应的方法相比，制得的SMA驱动元件的结构更加简单、尺寸更加紧凑。
（2）、本发明得到双程形状记效应的机理和传统的热机械训练方法不同，只需要进行一次热处理即可得到双程形状记忆效应，无需进行多次热机械循环训练。
（3）、本发明得到双程形状记效应的机理和传统的热机械训练方法不同，这使得其获得的双程回复应变比传统方法高。
附图说明
图1为本发明高频感应热处理方法示意图；
图2为本发明高频感应热处理过程示意图；
图3为本发明高频感应加热后SMA材料内部温度分布图；
图4为本发明高频感应热处理过程SMA材料内部晶体变化示意图；
图5为典型SMA材料热处理时间、温度与处理后的Af温度关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
本发明的SMA材料双程记忆效应的热处理方法是这样实现的，包括对SMA材料进行机械加载并约束保持形状，再进行高频电感应热处理，其特别之处在于机械加载、约束和高频电感应热处理步骤是这样的：
第一步：把SMA材料（可以为棒材或板材）通过材料试验机进行拉伸、弯曲或者扭转，保证拉伸、弯曲或者扭转后的形状是双程记忆效应的低温状态的形状，完成拉伸、弯曲或者扭转加载后，保持约束，不进行卸载，维持变形后的形状不变；
该加载过程的目的在于：未经机械加载的SMA材料处于孪晶马氏体状态，该状态的SMA材料无论是低温还是高温都不会发生形状的变化，在进行热处理前，应首先通过拉伸、弯曲或扭转对SMA材料进行预变形，并进行约束，保证材料形状不变，通过预变形可使SMA材料内部发生孪晶马氏体向非孪晶马氏体的相变，使得材料中存在非孪晶马氏体，非孪晶马氏体在温度升高后会发生形状的变化，变回未进行加载前的孪晶马氏体状态；
第二步：用高频加热炉的电感应线圈将需要热处理的部位套住；
上述过程中，线圈的直径和节距直接影响了加热的最高温度和温度场的均匀度，对于不同形状、尺寸的SMA材料（棒材或板材），线圈的直径和节距需要进行调整，以保证加热的最高温度能达到热处理所需要的温度及加热的温度场均匀度；
通常感应加热线圈的直径和节距随着热处理SMA材料的形状和尺寸而不同，因此需要在进行热处理之前，根据不同形状及尺寸的SMA材料进行感应加热试验，调整不同的感应线圈直径及尺寸，同时用红外热像仪测量SMA材料的整个表面温度场，以找到合适的感应线圈直径及尺寸参数，使得整个温度场的温度值有温度分布符合热处理的要求；
第三步：控制高频感应加热的频率、加热时间，同时监测SMA材料表面的温度；
上述过程中，应采用高频（10KHz以上）感应加热进行热处理，这要做的目的在于保证被加热的SMA材料仅为表层0.5-2.5mm，若采用中低频感应加热，则很可能将整个SMA材料进行加热，使得整个材料都进行了热处理，导致不能得到表层和内层材料晶体不一样的处理结果；
上述过程中，加热的时间和SMA材料表面的温度要进行严格监测，对于温度的监测可以通过在SMA材料被加热表面设置热电偶来实现，或采用其它可替代测温手段，如红外热像仪，该操作的目的在于：对于特定的SMA材料不同的热处理温度和不同的保温时间，可以得到不同的晶体组织，为了得到双程的形状记忆效应，希望在常温条件下SMA材料的内层为马氏体晶体，而表层为奥氏体晶体；
这里，希望在常温条件下SMA材料的内层为马氏体晶体、表层为奥氏体晶体的目的在于：马氏体晶体分为孪晶马氏体和非孪晶马氏体，在常温不进行机械加载的情况下孪晶马氏体，在进行机械加载时为非孪晶马氏体，孪晶马氏体通过机械加载（同时SMA材料发生变形）可发生相变，成为非孪晶马氏体，而非孪晶马氏体通过加热到Af点（奥氏体相变结束温度点）以上，会发生相变，变成奥氏体（同时SMA材料形状恢复到机械加载以前），当逐渐冷却后，奥氏体会发生相变，重新成为孪晶马氏体，从而完成一个SMA材料的形状变化—恢复循环，可以看出，这一循环中需要借助机械外力使SMA材料发生形状变化，从而发生孪晶马氏体向非孪晶马氏体的相变过程，因此，这一系列的相变过程称为单程形状记忆效应，为了实现双程形状记忆效应，通常的做法是设置一偏置弹簧和具有单程形状记忆效应的SMA材料相连接，在SMA材料受热发生形变时，压缩弹簧，当SMA材料冷却后，在被压缩弹簧弹力的作用下，将SMA材料重新进行变形（此时的弹簧相当于前述的机械外力），使形状恢复到未加热前的状态，本发明中通过高频感应热处理将SMA材料表层晶体变成常温状态下为奥氏体晶体的超弹性材料，该晶体组成的材料和弹簧具有相同的特性，在受到机械加载后，会发生形状变化，而当机械加载去除后，会自动恢复到加载前的形状，通过热处理使得SMA材料表层金属为奥氏体，该层材料替代了传统方法中的偏置弹簧，从而使得整个SMA材料具有了双程形状记忆效应；
第四步：解除对SMA材料的机械约束，同时令其在室温、自然对流换热条件下冷却。
以下结合附图1-5说明本发明的一个具体实施实例。
如图1所示，在本实施实例中采用直径为10mm长度为150mm的NiTi合金棒作为热处理对象，用于对SMA棒进行加载的设备为电子万能试验机，具体实施步骤如下：
第一步：将热电偶5用点焊机焊接于SMA棒2中部被加热部位，再把SMA棒2的上端夹在电子万能试验机的上夹头1上，保证夹持部分长约40mm；
第二步：将高频加热炉的感应线圈3套在SMA棒2上，感应线圈3的直径为20mm，节距为8mm，圈数为7.5圈；用电子万能试验机的下夹头4夹住SMA棒2的下端，保证夹入下夹头4的长度为40mm；控制电子万能试验机对SMA棒2进行拉伸，控制拉伸位移为3.9mm，当位移加载到3.9mm后进行保载，此时，如图4所示，SMA棒2由孪晶马氏体201变成了非孪晶马氏体202；
第三步：调整高频感应加热的频率为10KHz、加热时间为10分钟，通过热电偶5对加热温度进行监测（加热温度为490度），如图3所示，由于被处理层仅为SMA棒2材料的表层7，因此在加热时只有表层7温度达到了490度，内层6材料未被加热，通过热处理后，如图4所示，SMA棒2表层7由非孪晶马氏体202变成了奥氏体203，图5为该SMA材料热处理时间、热处理温度和所得到的奥氏体203相变温度Af的关系曲线，由图5可知，在490℃保温10分钟，可使表层7的SMA材料Af相变温度为20℃，即在室温时，SMA材料表层7显示出超弹性，
第四步：松开电子万能试验机的上夹头1，解除对SMA棒2上端的机械约束，同时令其在室温、自然对流换热条件下冷却，如图4所示，在去除机械约束后，并逐渐冷却后，SMA棒2的表层7仍为奥氏体203，因其在经过第五步中热处理后，其Af相变温度为20℃，保证了即使在室温状态下仍为奥氏体203，内层6发生相变，变成了孪晶马氏体201；待SMA棒2完全冷却后（可通过热电偶5观察SMA棒2的温度），松开电子万能试验机的下夹头2，并将SMA棒2从电感应线圈3中取出，完成热处理过程。
Claims (3)
1.一种获得SMA材料双程记忆效应的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（一）、通过材料试验机对SMA材料进行拉伸、弯曲或扭转，并保持拉伸、弯曲或扭转后的形状不变，SMA材料是棒材或板材；
步骤（二）、用高频感应加热线圈对SMA材料表层金属进行加热，高频感应加热炉的频率要在10KHz以上，以保证被加热层仅为材料表层0.5-2.5mm；
步骤（三）、控制高频感应加热的频率、加热时间，同时监测SMA材料表面的温度；
步骤（四）、到达保温时间后，首先解除对SMA材料的机械约束，然后在室温对流换热条件下冷却，即得到了较大双程回复应变的双程SMA驱动元件。
2.根据权利要求1所述的一种获得SMA材料双程记忆效应的热处理方法，其特征在于，步骤（一）所述的材料试验机为电子万能试验机。
3.根据权利要求1所述的一种获得SMA材料双程记忆效应的热处理方法，其特征在于，步骤（三）中所述的监测SMA材料表面的温度具体为：通过热电偶温度传感器或红外测温仪或红外热像仪保证SMA材料表面的加热温度及保温时间。
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