CN109182662A

CN109182662A - 一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法

Info

Publication number: CN109182662A
Application number: CN201811193767.5A
Authority: CN
Inventors: 彭华备; 雍立秋; 赵兴保; 王改霞; 文玉华
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2038-10-15
Also published as: CN109182662B

Abstract

本发明公开了一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法，属形状记忆合金领域。本发明制备的铁锰硅基形状记忆合金的可恢复应变不低于6%。具体步骤如下：先将经锻造或轧制或拉拔的铁锰硅基形状记忆合金在1250℃~1310℃处理0.5小时至3小时；随后以0.1℃每分钟~10℃每分钟的速度冷却至1000℃~1200℃后水冷至室温。经该方法处理后铁锰硅基形状记忆合金的奥氏体晶粒平均尺寸≥500微米。

Description

一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法

技术领域

本发明涉及形状记忆合金领域，具体涉及一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法。该方法制备的铁锰硅基形状记忆合金的可恢复应变不低于6%。

背景技术

经过变形后，一般金属材料在无外力作用下是不能恢复至变形前形状的。但是，形状记忆合金材料在变形后通过加热至一定温度就可让其恢复至原来的形状。而这种神奇的现象则被称为形状记忆效应。也正是因为形状记忆合金拥有一般金属材料不具有的形状记忆效应和超弹性而成为一类集感知和驱动于一体的新型智能合金。这类合金在航空航天、生物医学、机械、化工等领域有着广泛的应用前景。

形状记忆合金中镍钛基合金因其具备优良的记忆效应和超弹性，目前已在多个领域得到实际应用。然而，镍钛基合金的加工性能差，导致存在生产效率低和制造成本高的问题。与镍钛基合金相比，铁锰硅基合金具有成本低廉、加工容易和焊接性能好等优点，因此自发现以来便吸引了国内外学者的广泛研究。单晶铁锰硅基合金的可恢复应变达到9%，这也是迄今为止该类合金中能达到的最高水平。值得注意的是，实际的工程应用中大量使用的仍是多晶合金。但是，不经特殊处理的变形加工（热轧、冷轧或冷拉）的多晶铁锰硅基合金的记忆效应差，可恢复应变仅2％左右，达不到工程应用的要求。目前，训练（室温变形加650℃附近退火的反复过程）、700℃附近的奥氏体高温形变热处理和热机械处理这三种方法也仅能将其可恢复应变提高到4~5%。同时，这些处理都存在变形过程，不但增加了制备成本，而且对形状复杂的元件难以实施。显然，要推动铁锰硅基合金的广泛应用，制备真正意义上的免训练高可恢复应变铁锰硅基合金是其亟待解决的问题。

近期，文玉华等人通过铸造后退火处理的方法制备了拉伸可恢复应变达到7.6%的免训练铸造铁锰硅基合金（Y.H. Wen, et al.. Nature Communications, 2014, 5:4964）。但是，铸造铁锰硅基合金与变形加工合金相比存在力学性能差和恢复应力低的问题。因此，如何在免训练的条件下，在力学性能优良的变形加工合金中获得高可恢复应变是铁锰硅基合金目前仍需解决的问题。彭华备等将变形加工Fe-19.38Mn-5.29Si-8.98Cr-4.83Ni（数字代表重量百分比，下同）合金加热至高温铁素体单相区后冷却，利用高温铁素体（体心立方结构，BCC）向奥氏体（面心立方结构，FCC）转变不仅抑制了退火孪晶的形成，而且在奥氏体中引入大量的堆垛层错，从而在免训练条件下显著提高了变形加工铁锰硅基合金的形状记忆效应（H.B. Peng, et al., Metallurgical and Materials TransactionsA, 2016, 7: 3277-3283）。他们的专利ZL201410102165.X也公开了该方法，具体过程是将经锻造或冷轧或热轧或冷拉的铁锰硅基形状记忆合金在其高温铁素体单相区或高温铁素体加奥氏体的双相区保温10分钟~3小时后空冷或油冷或水冷，随后再在500℃~1000℃退火处理5分钟~2小时。但是，他们也指出变形加工Fe-19.38Mn-5.29Si-8.98Cr-4.83Ni合金在经历高温铁素体向奥氏体转变后由于奥氏体的晶粒尺寸较小（约110微米），此时的最大可恢复应变也在5%左右（H.B. Peng, et al., Advanced Engineering Materials, 2018,20: 1700741）。因此，如何在免训练的条件下，在力学性能优良的变形加工铁锰硅基合金中获得不低于6%的可恢复应变仍是目前需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法。所制备的铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变不低于6%。

铁锰硅基合金的形状记忆效应源于应力诱发奥氏体向ε马氏体（密排六方结构，HCP）相变及其逆相变。因此，为了在铁锰硅基合金中获得优良的记忆效应则需满足变形由应力诱发ε马氏体相变所承担，抑制塑性滑移引入的原则。目前研究表明在奥氏体基体中引入大量均匀分布的堆垛层错能有效促进应力诱发ε马氏体相变，抑制塑性滑移发生。此外，文玉华等人研究指出退火孪晶与应力诱发ε马氏体发生强烈的相互作用，进而抑制了应力诱发ε马氏体相变（Y.H. Wen, et al.. Nature Communications, 2014, 5: 4964）。而退火孪晶则大量存在于变形加工铁锰硅基合金中，因此减少退火孪晶界面的数量将有利于获得高可恢复应变。训练、700℃附近的奥氏体高温形变热处理和热机械处理三类方法均能同时引入大量堆垛层错和减少退火孪晶界面的数量，从而将变形加工铁锰硅基合金的可恢复应变提高至4~5%，但值得注意的是这也远低于单晶合金的9%。文玉华等人采用铸造后退火的方法不仅抑制了退火孪晶的生成，而且获得了毫米级的粗大奥氏体晶粒，从而实现了7.6%的高可恢复应变（Y.H. Wen, et al.. Nature Communications, 2014, 5: 4964）。因此，粗大的奥氏体晶粒是铁锰硅基合金获得高可恢复应变的另一个重要条件。综上所述，在变形加工铁锰硅基合金获得高可恢复应变需满足如下条件：（1）奥氏体基体上分布着大量堆垛层错；（2）低的退火孪晶界面数量；（3）粗大的奥氏体晶粒。

铁锰硅基合金中高温铁素体极易转变为奥氏体，因此最终的室温组织通常以奥氏体为主。彭华备等就是利用高温铁素体向奥氏体转变不仅能显著降低变形加工铁锰硅基合金中退火孪晶界面的数量，而且也有利于引入大量堆垛层错，但不足之处是所获得的奥氏体晶粒尺寸较小（H.B. Peng, et al., Metallurgical and Materials Transactions A,2016, 7: 3277-3283）。导致奥氏体晶粒尺寸较小的原因主要是高温铁素体向奥氏体转变时采用空冷冷速过快，导致相变过冷度较大，奥氏体大量形核及长大。本发明则是通过控制高温铁素体向奥氏体转变时冷却速度，降低相变过冷度，抑制奥氏体的大量形核，从而获得具有粗大奥氏体晶粒且退火孪晶界面数量少的变形加工铁锰硅基合金。最终，在该类合金中获得了不低于6%的可恢复应变。

本发明提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的具体步骤如下：先将经锻造或轧制或拉拔的铁锰硅基形状记忆合金在1250℃~1310℃处理0.5小时至3小时；随后以0.1℃每分钟~10℃每分钟的速度冷却至1000℃~1200℃后水冷至室温。其中，冷却速度过快就不能获得粗大的奥氏体晶粒，此外冷却速度过慢则会导致退火孪晶的大量引入，所以本发明的冷却速度为0.1℃每分钟~10℃每分钟。所述铁锰硅基形状记忆合金经1250℃~1310℃处理后为单相高温铁素体。经该方法处理后铁锰硅基形状记忆合金的奥氏体晶粒平均尺寸≥500微米。所述铁锰硅基形状记忆合金含有Fe、Mn、Si、Cr元素，并包含Ni、Co、V、Mo、Al、C和N元素中的一种或多种，合金中各元素的重量百分比含量为：Mn 13~28%，Si 4~7%，Cr 2~14%，Ni 0~8%，Ti 0~1%，Nb 0~2%，Cu 0~1%，Co 0~2%，V 0~2%，Mo 0~2%，Al 0~3%，C 0~0.2%，N 0~0.2%，余为Fe和不可避免的杂质。

本发明具有如下优点：（1）简单常规热处理设备就能完成制备过程；（2）能将变形加工铁锰硅基合金的可恢复应变提高至6%以上；（3）无复杂的变形加退火的过程，适用于复杂零件的处理。

附图说明

图1实施例1的奥氏体晶粒图。说明经本发明处理后合金的奥氏体晶粒粗大，平均晶粒尺寸为1257微米。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明的内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。

实施例1~3和对比例1选取的锻造态铁锰硅基形状记忆合金的各元素的重量百分比为：Mn 20.68%, Si 6.28%, Cr 9.13%, Ni 4.83%, C 0.013%, 余为Fe和不可避免的杂质。当温度高于1265℃时，该合金处于高温铁素体单相区。实施例1-3先在1265℃处理0.5小时~3小时，随后以0.5℃每分钟~2℃每分钟的速度冷却至1000℃~1100℃后水冷至室温。对比例1则是根据专利ZL201410102165.X制定的处理过程，具体是先在1265℃处理1.5小时后直接空冷至室温。

实施例4~7和对比例2选取的锻造态铁锰硅基形状记忆合金的各元素重量百分比为：Mn 18.80%, Si 6.15%, Cr 8.89%, Ni 4.81%, C 0.034%, 余为Fe和不可避免的杂质。当温度高于1275℃时，该合金处于高温铁素体单相区。上述合金先在高温铁素体单相区处理0.5小时~3小时后，以0.5℃每分钟~5℃每分钟的速度冷却至1000℃~1150℃后水冷至室温。对比例2则是根据专利ZL201410102165.X制定的处理过程，具体是先在1275℃处理1小时后直接空冷至室温。

采用弯曲法表征可恢复应变，具体步骤为：先将合金在马氏体转变开始温度以上10℃弯曲变形12%，然后将合金在600℃加热恢复5分钟，最后测合金的可恢复应变。采用背散射衍射技术表征奥氏体平均晶粒尺寸，图1表明实施例1经本发明处理后奥氏体平均晶粒尺于500微米，且均获得了不低于6.0%的可恢复应变。而对比例1~2的奥氏体平均晶粒尺寸均小于300微米，同时可恢复变形量也仅为5%左右。上述结果清楚地表明本发明比专利ZL201410102165.X的方法更能有效提高铁锰硅基形状记忆合金的形状记忆性能，从而获得不低于6%的可恢复应变。

表1实施例1~7和对比例1~2的处理过程、奥氏体平均晶粒尺寸和可恢复应变

Claims

1.一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法，其特征在于，具体步骤如下：先将经锻造或轧制或拉拔的铁锰硅基形状记忆合金在1250℃~1310℃处理0.5小时至3小时；随后以0.1℃每分钟~10℃每分钟的速度冷却至1000℃~1200℃后水冷至室温。

2.根据权利要求1所述的一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法，其特征在于，所述铁锰硅基形状记忆合金经1250℃~1310℃处理后为单相高温铁素体。

3.根据权利要求1所述的一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法，其特征在于，经该方法处理后铁锰硅基形状记忆合金的奥氏体晶粒平均尺寸≥500微米。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种提高铁锰硅基形状记忆合金可恢复应变的方法，其特征在于，所述铁锰硅基形状记忆合金含有Fe、Mn、Si、Cr元素，并包含Ni、Co、V、Mo、Al、C和N元素中的一种或多种，合金中各元素的重量百分比含量为：Mn 13~28%，Si 4~7%，Cr 2~14%，Ni 0~8%，Ti 0~1%，Nb 0~2%，Cu 0~1%，Co 0~2%，V 0~2%，Mo 0~2%，Al 0~3%，C 0~0.2%，N0~0.2%，余为Fe和不可避免的杂质。