CN110106459A - 一种提高NiTi合金恢复力的训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金技术领域，公开了一种提高NiTi合金恢复力的训练方法。先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，在室温25℃下将退火态的NiTi合金拉伸至一个较大的预应变值即大于材料实际使用时的应变值；然后进行约束态的加热‑冷却循环，加热‑冷却过程中此预应变值保持不变；约束态的加热‑冷却循环可进行一次或多次；约束态的加热‑冷却循环结束后进行一次自由态的加热‑冷却循环。该方法提高NiTi合金的恢复力，扩大其应用范围，确保使用时的安全性和可靠性。

Description

一种提高NiTi合金恢复力的训练方法
技术领域
本发明属于合金技术领域，本发明涉及一种提高NiTi合金恢复力的训练方法。
背景技术
智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。它在许多领域展现出广阔的应用前景，如航空航天飞行器的智能蒙皮、自适应机翼；机械装置的振动、噪声控制；针对高速公路、高速铁路、桥梁和建筑等大型结构的自增强、健康自诊断和损伤自修复；微机电系统；生物医用材料等，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。形状记忆合金作为功能材料具有两个最基本的特性，即形状记忆效应和相变超弹性。这两种特性源于热弹性马氏体相变和应力诱发马氏体相变，与马氏体变体的自协作排列方式密切相关。形状记忆合金在马氏体状态下变形后，若在随后的加热过程中受到约束，就会产生恢复力。NiTi形状记忆合金具有应变大、恢复应力大和性能稳定等特点，因此成为智能结构系统中的关键组元。形状记忆合金驱动器件就是利用形状记忆合金形变后，加热逆相变过程中产生的恢复位移和恢复力来实现驱动功能。在工程应用中需要准确掌握恢复力与其他状态参量如温度、马氏体含量等的关系。恢复力的大小和演变也直接关系到形状记忆合金驱动器件的可靠性和稳定性，是记忆合金研究的重要内容之一。但是，目前国内外对于恢复力的研究相对较少。已有的研究结果表明，恢复力的大小和演化与材料的热-机械处理方法、退火工艺、预应变量、热循环及基体等因素密切相关。为了扩大NiTi合金的应用领域，保证其在使用过程中的稳定性，有必要研究新的提高NiTi合恢复力方法和机理。
发明内容
为了克服现有技术的不足，为了进一步提高NiTi合金的恢复力，扩大其应用范围，确保使用时的安全性和可靠性，本发明提供一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，采用一种热机械循环方法，提高NiTi合金的恢复力。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种提高NiTi合金恢复力的训练方法；先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，在室温25℃下将退火态的NiTi合金拉伸至一个较大的预应变值即大于材料实际使用时的应变值；然后进行约束态的加热-冷却循环，加热-冷却过程中此预应变值保持不变；约束态的加热-冷却循环可进行一次或多次；约束态的加热-冷却循环结束后进行一次自由态的加热-冷却循环。
上述训练方法的具体步骤如下：
S1.把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为500℃-700℃，退火时间10-30min；在室温25℃下将退火态的NiTi合金丝拉伸至一定的预应变值，预应变值在NiTi合金的可恢复的应变值的1-7％；拉伸时加载速率为0.3-1.0％/min；
S2.卸载样品至应力为零；卸载速率为0.3-1.0％/min；
S3.固定拉伸机夹头位置并加热样品至100℃-250℃，在此温度下保温3min，加热速率为1-10℃/min；
S4.降低样品温度至室温25℃，冷却速率为1-10℃/min；
S5.松开夹头，让其能自由移动；并加热样品至100℃-250℃，在此温度下保温3min，加热速率为1-10℃/min；
S6.降低样品温度至室温25℃，冷却速率为1-10℃/min；
进一步的，上述步骤S3-S4为约束态加热-冷却循环；步骤S5-S6为自由态加热-冷却循环。
进一步的，步骤S1所述冷拔态的NiTi合金退火温度为500℃-700℃，优选值为550℃。
进一步的，步骤S1所述的退火态的NiTi合金丝拉伸至的预应变值优选为NiTi合金的可恢复的应变值的4％；
进一步的，步骤S3加热温度在NiTi合金奥氏体相变温度以上，温度为30-150℃；温度太高会对恢复力产生负面影响。
进一步的，步骤S3和S5的加热速率优选为5℃/min。
进一步的，步骤S4和S6的冷却速率优选为5℃/min。
进一步的，步骤S1中的拉伸时加载速率优选为0.5％/min。
进一步的，步骤S2中的卸载速率优选为0.5％/min。
用将退火态的NiTi合金先在一定预应变下进行约束态热循环，所用的预应变值高于NiTi合金使用应变值。此方法获得的NiTi合金，当使用时的应变值较低即低于训练时的预应变值时，其恢复力明显增加。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明通过对NiTi合金先进行一个较大的预应变：大于材料实际使用时的应变值，并在约束态下进行加热-冷却循环，最后进行一次自由态的加热-冷却循环。如此处理的NiTi合金在一个较低的预应变即低于训练时的预应变值时呈现出较高的恢复力。
本发明提供的方法在退火工艺的基础上，通过约束态的热循环进一步提高了NiTi合金的恢复力。
本发明的训练方法简单、可操作性强，节约成本，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明NiTi合金恢复力测试方法示意图。
图2为本发明NiTi合金恢复力-温度曲线示意图。
图3为现有的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法示意图。
图4为本发明为提高NiTi合金恢复力的训练方法示意图。
图5为本发明实施例1训练的NiTi合金恢复力-温度曲线图。
图6为本发明实施例2训练的NiTi合金恢复力-温度曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。实施例和对比例中恢复力训练及测试所用设备为动态热机械分析仪(TA Q800)。实施例和对比例中以成分为54.5wt％Ni、45.3wt％Ti，直径为0.095mm的冷拔态NiTi合金丝(冷拔变形量为35％)为材料。测量恢复力的方法如图1所示，在约束态加热冷却的过程中，恢复力随温度的变化如图2所示。
实施例1
一种提高NiTi合金恢复力的训练方法；具体步骤如下：
(1)先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为550℃，保温时间为15min；在室温25℃下将退火态的NiTi合金丝拉伸至3％的应变值，拉伸速率为0.5％/min；
(2)卸载样品至应力为零，卸载速率为0.5％/min；
(3)固定拉伸机夹头位置并加热样品至125℃，在此温度下保温3min，加热速率为5℃
/min；
(4)降低样品温度至室温25℃，冷却速率为5℃/min；
(5)松开夹头，让其能自由移动；并加热样品至125℃，在此温度下保温3min，加热速
率为5℃/min；
(6)降低样品温度至室温25℃，冷却速率为5℃/min；
训练工艺完成。步骤(3)-(4)为约束态加热-冷却循环；步骤(5)-(6)为自由恢复。
实施例2
一种提高NiTi合金恢复力的训练方法；具体步骤如下：
(1)先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为700℃，保温时间为15min；在室温25℃下将退火态的NiTi合金丝拉伸至3％的应变值，拉伸速率为0.5％/min；
(2)卸载样品至应力为零，卸载速率为0.5％/min；
(3)固定拉伸机夹头位置并加热样品至125℃，在此温度下保温3min，加热速率为5℃/min；
(4)降低样品温度至室温25℃，冷却速率为5℃/min；
(5)松开夹头，让其能自由移动；并加热样品至125℃，在此温度下保温3min，加热速率为5℃/min；
(6)降低样品温度至室温25℃，冷却速率为5℃/min；
训练工艺完成。步骤(3)-(4)为约束态加热-冷却循环；步骤(5)-(6)为自由恢复。
对比例1
先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为550℃，保温时间为15min；然后测量退火态的NiTi合金丝经历不同处理后在2％预应变值时的恢复力。没有对退火态的NiTi合金丝进行任何训练，直接测量其在2％预应变值时的恢复力。
对比例2
对退火态的NiTi合金丝用现有的方法进行训练，如图3所示，工艺如下：
(1)先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为550℃，保温时间为15min；在室温25℃下将退火态的NiTi合金丝拉伸至3％的应变值，拉伸速率为0.5％/min；
(2)卸载样品至应力为零，卸载速率为0.5％/min；
(3)加热样品至125℃，在此温度下保温3min，加热速率为5℃/min；
(4)降低样品温度至室温25℃，冷却速率为5℃/min；
训练完成。步骤(3)-(4)为NiTi合金丝形状的自由恢复，然后再测量其在2％预应变量时的恢复力。
对比例3
先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为700℃，保温时间为15min；然后测量退火态的NiTi合金丝经历不同处理后在2％预应变值时的恢复力。没有对退火态的NiTi合金丝进行任何训练，直接测量其在2％预应变值时的恢复力。
对比例4
对退火态的NiTi合金丝用现有的方法进行训练，工艺如下：
(1)先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，退火温度为700℃，保温时间为15min；在室温25℃下将退火态的NiTi合金丝拉伸至3％的应变值，拉伸速率为0.5％/min；
(2)卸载样品至应力为零，卸载速率为0.5％/min；
(3)加热样品至125℃，在此温度下保温3min，加热速率为5℃/min；
(4)降低样品温度至室温25℃，冷却速率为5℃/min；
训练完成。步骤(3)-(4)为NiTi合金丝形状的自由恢复，然后再测量其在2％预应变值时的恢复力。
将实施例1方法训练后的NiTi合金丝再用动态热分析仪测量其在2％预应变值时的恢复力，并与对比例1中未训练的和对比例2中用现有方法训练的样品进行对比，结果如图5所示。图5中曲线III为实施例1所提供方法训练的NiTi合金恢复力-温度曲线，曲线II为对比例2中用现有方法训练的NiTi合金恢复力-温度曲线，曲线I为对比例1中没有经过训练的NiTi合金恢复力-温度曲线。由图5可以看出，在加热的过程中，NiTi合金丝产生恢复力，随着温度的不断增加，恢复力也不断增加，但采用实施例1方法训练后的NiTi合金丝恢复力随温度的增加更快，在125℃时的恢复力明显高于对比例2中用现有方法训练的和对比例1中未经训练的NiTi合金丝。
将实施例2方法训练后的NiTi合金丝再用动态热分析仪测量其在2％预应变值时的恢复力，并与对比例1中未训练的和对比例2中用现有方法训练的样品进行对比，结果如图6所示。图6中曲线III为实施例2所提供方法训练的NiTi合金恢复力-温度曲线，曲线II为对比例2中用现有方法训练的NiTi合金恢复力-温度曲线，曲线I为对比例1中没有经过训练的NiTi合金恢复力-温度曲线。由图6可以看出，在加热的过程中，NiTi合金丝产生恢复力，随着温度的不断增加，恢复力也不断增加，但采用实施例2方法训练后的NiTi合金丝恢复力随温度的增加更快，在125℃时的恢复力明显高于对比例2中用现有方法训练的和对比例1中未经训练的NiTi合金丝。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，先把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，在室温25℃下将退火态的NiTi合金拉伸至大于材料实际使用时的应变值；然后进行约束态的加热-冷却循环，加热-冷却过程中此预应变值保持不变；约束态的加热-冷却循环结束后进行一次自由态的加热-冷却循环。
2.如权利要求1所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，训练方法的具体步骤如下：
S1.把冷拔态NiTi合金丝进行退火处理，在室温25℃下将退火态的NiTi合金丝拉伸至一定的预应变值，预应变值的大小在NiTi合金的可恢复的应变值的1％-7％；
S2.卸载样品至应力为零；
S3.固定拉伸机夹头位置并加热样品至100-250℃，在此温度下保温3min，加热速率为1-10℃/min；
S4.降低样品温度至室温25℃，冷却速率为1-10℃/min；
S5.松开夹头，让其能自由移动；并加热样品至100-250℃，在此温度下保温3min，加热速率为1-10℃/min；
S6.降低温度至室温25℃，冷却速率为1-10℃/min；
上述步骤S3-S4为约束态加热-冷却循环；步骤S5-S6为自由态加热-冷却循环。
3.如权利要求2所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，所述步骤S1的冷拔态的NiTi合金退火温度在500℃-700℃。
4.如权利要求2所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，所述步骤S2的卸载速率为0.3-1.0％/min。
5.如权利要求2所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，所述步骤S3的加热温度在NiTi合金奥氏体相变温度以上，温度为30-150℃。
6.如权利要求2所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，所述步骤S3和S5的加热速率为5℃/min。
7.如权利要求2所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，所述步骤S1中的拉伸时加载速率0.3-1.0％/min。
8.如权利要求1所述的一种提高NiTi合金恢复力的训练方法，其特征是，约束态的加热-冷却循环进行一次或多次。
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