NiTi/V原位复合材料的相变特征及力学性能研究

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NiTi基合金是目前研究最全面且应用最广泛的一类形状记忆合金,这主要归因于其良好的形状记忆效应和超弹性能,其主要应用于飞机管接头。然而,NiTi合金对温度变化最为敏感,为避免其在运输过程中发生可逆马氏体相变,因此需放置于液氮中,导致运输成本增加。因此,开发具有大滞后性的NiTi基记忆合金至关重要。为解决此问题,本文引入低熔点的V元素构建NiTi/V伪二元体系,并根据NiTi/V伪二元相图设计了共晶Ti37Ni38V25、过共晶Ti29Ni31V40和亚共晶Ti46Ni44V10三种复合材料;其次,通过真空电弧熔炼炉和高频磁悬浮感应熔炼炉制备了铸态合金,并采用不同的拉拔工艺将其制备成不同直径的丝材;最后,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)及拉伸测试等方法系统研究了合金铸锭和丝材的微观组织结构及其退火处理后的相变特征和力学性能。XRD结果表明,铸态合金中仅存在NiTi基体相和V增强相。SEM结果表明,铸态共晶合金微观组织呈层状结构,且该结构分布较为均匀细小;铸态过共晶合金中单一的V相呈圆粒状,其整体呈现鱼骨状分布于基体中;铸态亚共晶合金中V相以网状分布于基体中。TEM结果表明,铸态合金经过拉拔后,V相发生严重的塑性变形,晶界数量增加。拉伸前合金的DSC测试结果表明,共晶合金在350500℃退火后仅发生B2?R相变,550℃退火后发生B2?R?B19′相变且R相滞后温度略高于另外两种合金;过共晶合金在350600℃退火处理后均未出现马氏体相变,仅发生B2?R相变;亚共晶合金在550℃和600℃退火时,冷却曲线中发现明显的R→B19′峰。拉伸后合金的DSC测试结果表明,第一次加热过程中,过共晶合金B19’→B2转变温度最高(Tp>100℃),原因是在拉伸过程中V纳米线发生严重的塑性变形,释放马氏体相储存的弹性能;在冷却过程中,共晶和亚共晶合金的R→B19’转变温度高于拉伸前(ΔT>25℃),归因于NiTi和V纳米线之间的残余应力促进了转变;第二次加热过程中,共晶和亚共晶合金的B19’→R转变温度同样高于拉伸前,但温度变化(ΔT<10℃)小于R→B19’转变。显微硬度测试结果表明,合金经过350650℃退火处理后,其显微硬度随着温度升高而降低。拉伸测试结果表明,合金的最大可回复应变量随着退火温度的升高而降低;而在相同退火温度处理时,最大可回复应变量随着拉伸应变量的增大而增加。其中亚共晶合金的最大可回复应变量约7%,高于共晶和过共晶合金。纳米压痕测试结果表明,在相同退火温度处理时,亚共晶合金的弹性模量值最小,即在相同外力作用时,最容易发生弹性变形且弹性变形量最大,这与拉伸测试结果相一致。
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