CN108715986B - 一种通过调节织构来提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法，属于金属材料加工制造技术领域。将轧制态的奥氏体镍钛基形状记忆合金原始棒材截成一定高度的圆柱后嵌入到一个高度与其相同的低碳钢圆环形包套中，将经过低碳钢包套的奥氏体镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下进行大塑性变形，将奥氏体镍钛基形状记忆合金取出后，再结晶退火，达到保温时间后，将记忆合金取出迅速放入到水中进行淬火处理待材料完全冷却到室温后，取出风干；将再结晶退火后的记忆合金圆柱在室温下沿轴向加载进行塑性变形；通过该方法可使奥氏体镍钛基形状记忆合金的变形抗力降低，使该合金的室温塑性加工性能得到明显改善。

Description

一种通过调节织构来提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑 性的方法

技术领域

本发明属于金属材料加工制造技术领域，具体涉及一种提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法。

背景技术

形状记忆合金,Shape Memory Alloy即SMA，是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应ShapeMemory Effect。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

镍钛形状记忆合金自上世纪60年代被人们发现，因其具有良好的形状记忆效应、超弹性能和生物相容性等特点，在医学、航空航天、军事领域受到广泛应用。镍钛合金的各项突出性能都主要源于其特殊的热弹性马氏体、孪晶、晶界、位错等微观结构。由于现代科技的飞速发展，制备性能更加优异的镍钛基形状记忆合金成为各国学者们的研究热点。同时，由于现代纳米材料具有优良的物理性能，纳米材料也成为各国发展战略的重点。金属塑性晶体理论起源于20世纪20年代，单晶材料与多晶材料的塑性本构能够揭示金属材料塑性变形机制，随着有限元模拟技术的发展，该技术已经在金属塑性加工理论与实际生产中扮演重要的角色。有限元分析手段可以对金属的塑性成形进行科学预测、优化参数与工艺控制，节省了大量的人力、物力和财力。在目前报道的所有形状记忆合金中，镍钛基形状记忆合金因强度高和耐蚀性好而倍受瞩目，因而在航空航天、舰船、地面武器和生物医用材料等领域得到了广泛应用。由于镍钛基形状记忆合金的室温塑性较差，热塑性变形和热机械处理是加工该类合金的常用方法。但高温下的塑性成形通常会使锻件表面氧化，且零件的尺寸精度不高，一般无法直接使用。因此，人们一直在寻找提高镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法，以期在室温下获得具有良好的综合力学性能和尺寸精度的产品。目前提出的实现镍钛基形状记忆合金室温大塑性变形的方法主要有高压扭转、冷轧、冷拉拔、等径角挤压和包套压缩。但上述方法只能成形特定形状或尺寸的毛坯，无法实现较复杂形状零件的成形。研究表明，金属材料在塑性变形或热处理过程中会形成变形织构或再结晶织构，而织构取向对材料的塑性又有很大的影响。因此，本发明提出了一种通过调节织构来提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过调节织构来提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法，提高奥氏体镍钛基形状记忆合金的冷塑性变形性能，实现奥氏体镍钛基形状记忆合金在室温下较大的塑性变形量。

本发明具体包括如下步骤：

步骤1：将轧制态的奥氏体镍钛基形状记忆合金1原始棒材截成一定高度的圆柱后嵌入到一个高度与其相同的低碳钢圆环形包套2中；奥氏体镍钛基形状记忆合金1圆柱与低碳钢包套2之间采用过盈配合；

步骤2：将经过低碳钢包套2的奥氏体镍钛基形状记忆合金1置于压力机的上下砧板间，在室温下以小于等于0.05s^-1的应变速率对其进行大塑性变形，其高度方向的压缩变形程度达到50％～75％；

步骤3：将低碳钢包套2压缩后的奥氏体镍钛基形状记忆合金1从低碳钢包套2中取出，然后放在真空炉中进行800℃下的再结晶退火，保温时间按最小尺寸的2～3min/mm计算；达到保温时间后，将奥氏体镍钛基形状记忆合金1取出，迅速放入到水中进行淬火处理；待材料完全冷却到室温后，取出风干；

步骤4：将再结晶退火后的奥氏体镍钛基形状记忆合金1圆柱在室温下沿轴向加载进行塑性变形。

所述的步骤1具体包括：

所述的低碳钢圆环形包套2的内径与奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱1的直径相同，外径为奥氏体镍钛基形状记忆合金的3～4倍；低碳钢圆环形包套2的高度与其外径的比值小于等于2.5。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过该方法可使奥氏体镍钛基形状记忆合金的室温塑性显著提高，且变形抗力降低，使该合金的室温塑性加工性能得到明显改善。

2.该方法有助于提高奥氏体镍钛基形状记忆合金在室温下的塑性变形量，对于奥氏体镍钛基形状记忆合金经过冷塑性变形来提高其超弹性能具有重要价值。

附图说明

图1为通过调节织构提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法示意图；

图2为原始轧制状态奥氏体镍钛基形状记忆合金的轴向<110>织构；

图3为经过包套压缩塑性变形和静态再结晶处理的奥氏体镍钛基形状记忆合金的轴向<111>织构；

图4为在不同取向下对奥氏体镍钛基形状记忆合金进行加载时的斯密特因子数值分布；

图5为奥氏体镍钛铁形状记忆合金在包套压缩塑性变形和再结晶退火前后的轴向真应力-真应变曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

如图1所示，本发明的发明内容如下，步骤1：将轧制态的奥氏体镍钛基形状记忆合金原始棒材截成一定高度的圆柱后嵌入到一个高度与其相同的低碳钢圆环形包套中。该包套的内径与奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱的直径相同，外径为奥氏体镍钛基形状记忆合金的3～4倍。包套的高度与其外径的比值应小于等于2.5。奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱与低碳钢包套之间采用过盈配合。

步骤2：将经过包套的奥氏体镍钛基形状记忆合金置于压力机的上下砧板间，在室温下以小于等于0.05s^-1的应变速率对其进行大塑性变形，即高度方向的压缩变形程度达到50％～75％。

步骤3：将包套压缩后的奥氏体镍钛基形状记忆合金从包套中取出，然后放在真空炉中进行800℃下的再结晶退火，保温时间按最小尺寸的2～3min/mm计算。达到保温时间后，将奥氏体镍钛基形状记忆合金取出，迅速放入到水中进行淬火处理。待材料完全冷却到室温后，取出风干。

步骤4：将再结晶退火后的奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱在室温下沿轴向加载进行塑性变形，便可发现其塑性得到了明显提高，且变形抗力明显降低。

本发明的原理如下：奥氏体镍钛基形状记忆合金具有B2立方结构，目前发现的该合金的滑移系主要有{011}<100>、{110}<111>和{001}<100>三个系族，其中{011}<100>族滑移系的层错能约为142mJ/m²，{110}<111>族滑移系的层错能约为660mJ/m²，{001}<100>族滑移系的层错能约为863m J/m²。可见，{011}<100>族滑移系的层错能最低，最易开动，因而奥氏体镍钛基形状记忆合金的滑移系以{011}<100>族为主。另外，轧制态的奥氏体镍钛基形状记忆合金在轴向具有<110>织构，而经过较大冷塑性变形和静态再结晶处理的奥氏体镍钛基形状记忆合金则在轴向具有<111>织构。当对原始轧制状态的奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱进行轴向加载时，相当于在其晶体的<110>方向施加了载荷，如图2所示。而当对包套压缩塑性变形和静态再结晶处理的奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱进行轴向加载时，相当于在其晶体的<111>方向施加了载荷，如图3所示。在这两种不同取向下对该合金进行塑性变形时，材料内部各晶粒滑移系的斯密特因子会有很大差别，如图4所示。众所周知，斯密特因子是衡量各向异性材料塑性的一个重要参数。斯密特因子越大，说明此时该滑移系更容易开动，材料的塑性越好。由图4可知，当对奥氏体镍钛基形状记忆合金进行不同取向加载时，斯密特因子高的值主要集中在<111>方向。因此，在<111>方向对该合金进行加载时有助于提高其塑性，也就是说，通过包套压缩冷塑性变形和静态再结晶处理，可以将原始轧制状态的奥氏体镍钛基形状记忆合金圆柱的轴向<110>织构转变为<111>织构，从而使其轴向变形时的塑性明显提高。

实施例：

第一步：将轧制态的奥氏体镍钛铁形状记忆合金Ni₄₇Ti₅₀Fe₃棒材加工成直径为4mm，高为6mm的圆柱，然后将其嵌入到一个内径为4小mm，外径为10mm，高为6mm的Q235钢包套内，Ni₄₇Ti₅₀Fe₃合金与Q235钢包套之间采用过盈配合。

第二步：将经过包套的Ni₄₇Ti₅₀Fe₃合金置于压力机的上下砧板间，在室温下以0.05s^-1的应变速率对其进行变形程度为50％的大塑性变形，即高度方向的尺寸变为原来的1/2。

第三步：将包套压缩后的Ni₄₇Ti₅₀Fe₃合金从包套中取出，然后放在真空炉中进行800℃下的再结晶退火。保温4min后，将Ni₄₇Ti₅₀Fe₃合金取出，迅速放入到水中进行淬火处理。待材料完全冷却到室温后，取出风干。

第四步：将再结晶退火后的Ni₄₇Ti₅₀Fe₃合金圆柱在室温下沿轴向进行塑性变形，便可使其塑性得到明显提高，且变形抗力也显著下降，如图5所示。

Claims (2)

1.一种通过调节织构来提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将轧制态的奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)原始棒材截成一定高度的圆柱后嵌入到一个高度与其相同的低碳钢圆环形包套(2)中；奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)圆柱与低碳钢圆环形包套(2)之间采用过盈配合；

步骤2：将经过低碳钢圆环形包套(2)的奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)置于压力机的上下砧板间，在室温下以小于等于0.05s-1的应变速率对其进行大塑性变形，其高度方向的压缩变形程度达到50％～75％；

步骤3：将低碳钢圆环形包套(2)压缩后的奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)从低碳钢圆环形包套(2)中取出，然后放在真空炉中进行800℃下的再结晶退火，保温时间按最小尺寸的2～3min/mm计算；达到保温时间后，将奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)取出，迅速放入到水中进行淬火处理；待材料完全冷却到室温后，取出风干；

步骤4：将再结晶退火后的奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)圆柱在室温下沿轴向加载进行塑性变形。

2.根据权利要求1所述的一种通过调节织构来提高奥氏体镍钛基形状记忆合金室温塑性的方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：

所述的低碳钢圆环形包套(2)的内径与奥氏体镍钛基形状记忆合金(1)圆柱的直径相同，外径为奥氏体镍钛基形状记忆合金的3～4倍；低碳钢圆环形包套(2)的高度与其外径的比值小于等于2.5。