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Ni-Ti-Nb合金是目前所发现的理想的宽滞后形状记忆合金。用其制作的管接头和紧固件等在工程应用上潜力巨大。
本文采用氧化钙坩埚真空感应一次熔炼工艺成功制备出成分控制较精确且C,O等杂质含量均很低的Ni-Ti-Nb宽滞后形状记忆合金,其成分控制达到美国优质质量标准。通过扫描电镜、透射电子显微镜、电子探针、X射线衍射、电阻率-温度测试仪、差示扫描量热仪(DSC)以及不同温度下的拉伸试验系统地研究了Nb含量对(Ni47Ti44)100-xNbx(x=3,9,15,20,30at.%)宽滞后形状记忆合金的显微组织、热诱发马氏体和应力诱发马氏体的相变行为、力学行为、形状记忆效应、温度记忆效应及其对马氏体稳定化作用的影响。
试验结果表明,Nb含量对(Ni47Ti44)100-xNbx记忆合金的室温显微组织有显著的影响,合金中随铌含量的增加,显微组织变化顺序为:固溶合金→亚共晶合金→共晶合金→过共晶合金。随着Nb含量的增加,NiTi相体积分数减少,固溶在NiTi相中的Nb含量增加,使得Ni/Ti原子比相应增加,马氏体相变开始温度降低。用热力学理论分析了Nb含量对马氏体相变开始温度Ms的影响本质。热处理对Ni-Ti-Nb合金的相变温度具有明显的影响,其原因是改变了原NiTi相中的Ni/Ti原子比。随着热循环次数的增加,(Ni47Ti44)100-xNbx记忆合金的马氏体相变开始温度Ms与逆转变结束温度Af缓慢下降,而马氏体逆转变开始温度As以及马氏体相变结束温度Mf的下降不明显。
β-Nb相粒子的分布和数量对(Ni47Ti44)100-xNbx合金在室温时的力学性能有着很大的影响。Nb含量的增加导致合金屈服强度的增加,而断裂强度,延伸率和断面收缩率均下降。合金的断裂表现为明显的韧性断裂。在相同形变量下,(Ni47Ti44)100-xNbx形状记忆合金的形状记忆效应随着Nb含量的增加而下降。对于高Nb(20at.%)含量的Ni-Ti-Nb合金,当形变量达到18%时,其应变回复率η仍可以保持在比较高的水平,接近50%。
(Ni47Ti44)100-xNbx记忆合金在(Ms+30℃)温度形变后的相变温度滞后明显增宽,逆转变开始温度明显提高。相变温度滞后随着形变量的增加达到最大值,随着形变量进一步增加开始缓慢下降。相变温度滞后最高可以达到200℃。应力诱发马氏体的稳定化主要是由于β-Nb相颗粒的形变而使得弹性应变能被释放引起的。应力诱发马氏体自身的形变和由于应力集中引起母相的局部形变产生的内部弹性应力场也将不同程度地影响到应力诱发马氏体的稳定性。β-Nb相颗粒形变引起的相变温度滞后增宽要比应力诱发马氏体自身和Ni-Ti相的形变有效的多。
Nb含量对(Ni47Ti44)100-xNbx记忆合金的温度记忆效应现象没有明显的影响。经过10次不完全相变循环后,Ni47Ti44Nb9合金在加热过程中的马氏体逆转变温度间隔扩大了一倍,达到了51℃。研究结果还表明,温度记忆效应只在热诱发马氏体(自适应马氏体)状态下才出现,而应力诱发马氏体(取向马氏体)状态下未出现温度记忆效应。根据弹性能的分布提出了Ni-Ti-Nb形状记忆合金TME现象的机制。