冷轧Ti-V-Al-Zr形状记忆合金的组织与形状记忆效应

发布时间：2020-06-21 13:06

【摘要】：随着人类对空间的深入探索,航天器所面临的挑战将更加严峻。为了应对探索太空的未知环境,各种航空航天车辆如何能像运载工具一样携带尽可能多的设备来应对未知环境。因此,航天器对空间探测的要求越来越高,航天器的轻量化已成为一个不可避免的问题。除了改进飞机设计,减轻材料重量也是使航天器轻量化的重要手段。为了节约能源,提高航天器的效率,减轻航天器的重量,研究轻合金具有重要意义。钛-钒-铝合金是一个轻量级SMA的伟大候选。首先,它的密度很低,大约4.5克立方厘米,接近纯钛。这低于其他形状记忆合金的密度。其次,发现Ti-V-Al合金在350℃以上具有较高的反向马氏体转变温度。第三,Ti-V-Al合金在冷轧过程中具有90%以上的减薄量的良好的冷加工性能,使其加工成不同形状既方便又便宜。航天器金属零件紧固件复合材料是航天领域记忆合金的主要应用之一。这种紧固件通常由飞机管接头表示。在将记忆合金材料制作成管接头时,经过计算,接头的制作直径小于其外径。然后将记忆合金完全浸入液氮中,使其结构转变为“马氏体”。然后,通过在记忆合金内壁钻取锥形钢芯,实现记忆合金管内径的机械膨胀。所以内径比它的外径大。记忆合金管保存在液氮中,以保持膨胀直径(变形马氏体结构)。但目前,由于Ti-V-Al合金在这种应用中的屈服强度相对较小,因此这些接头中不使用Ti-V-Al合金。研究了锆含量对Ti-V-Al合金马氏体相变和形状记忆效应的影响。本研究的目的是通过添加锆来提高形状记忆材料的屈服强度,并探讨Ti-V-Al合金在该类接头中的应用。Ti-13V-3al-Zr含量分别为0.5、1.0、2.0 at.%以海绵钛、钒、铝、铁为原料,纯度为99.95%。研究了不同锆含量对合金组织、力学性能和形状记忆效应的影响.采用X射线衍射和透射电镜研究了钛钒铝锆合金的显微组织。研究了锆含量对合金相组成、马氏体形态和力学性能的影响。采用差示扫描量热法(DSC)和透射电镜(TEM)研究了Ti-V-Al-xZr合金在热循环过程中的马氏体转变行为和组织演变。通过室温拉伸试验,研究了Ti-V-Al-xZr合金的力学行为和形状记忆效应,研究了冷轧变形对其力学性能和应变恢复特性的影响。(Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(X=0.5,1.0)(X=0.5,1.0,2.0)合金的室温组织为β立方结构,含有一定量的α”马氏体,主要由Betta相组成。然而,随着锆含量的增加,对应于晶面(002)和(200)的α“马氏体相衍射峰的强度显著降低,当锆含量为2.0at.%时基本消失(Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=0.5)合金的MS接近室温,Mf低于室温。(Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=0.5)合金淬火过程中形成的非热ω相。ω相很小,均匀分布在Betta相中。除了来自B矩阵的主反射,在1/3 112位置处的漫散射与非热ω相位相对应。固溶(Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=0.5,1.0)合金的马氏体变体之间存在自调节关系。((Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=2.0)合金仅由Betta相或少量马氏体组成,在透射电镜观察中未发现。随着锆含量的增加,合金的晶粒尺寸减小。基体Ti-13V-3al掺杂0.5at.%稀土锆合金溶液后的平均晶粒尺寸约为300微米,掺杂1.0at.%稀土锆,合金的晶粒尺寸向右减小到200微米,进一步增加了Zr掺杂量,((Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=2.0)合金的晶粒尺寸最小,平均晶粒直径最小。米约为100微米。这是因为,在冷轧过程中,合金发生了较大的塑性变形,铸态组织中的粗晶沿轧制方向拉断,形成织构组织。高密度位错被引入晶粒中。固溶处理后,晶粒中位错密度逐渐降低,合金发生再结晶行为,形成新的晶粒。由于保温时间短,发生了再结晶。新晶粒没有足够的时间生长和细化,固溶Ti13V-3Al合金的金相图中出现了马氏体组织,与XRD结果一致。随着Zr含量的增加,合金的晶粒尺寸逐渐细化,晶粒中马氏体板条的间距也逐渐减小,特别是当Zr含量为1.0at.%时,晶粒细化更为明显,针状A“马氏体在晶粒中的分布非常致密,针状DEC的长度增加。随着锆掺杂量的增加而减小。由于高温快速淬火,晶粒和马氏体变体的取向完全不规则。锆掺杂量为2.0的Ti-13V-3Al合金抛光样品表面存在第二相沉淀。通过对试验曲线的分析,得到了马氏体反相变的起始温度as、峰值温度ap和终止温度af,如表3-2所示。如果将相变的峰值温度作为相变温度的值。固溶体(Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=0)合金的反向马氏体转变温度在340-370之间,随着Zr含量的增加,合金的反向马氏体转变温度逐渐降低。Ti-13V-3Al合金的反向马氏体转变温度可以通过加入Zr来降低,而((Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=2)合金的反向马氏体转变温度由于α“马氏体的含量很小而无法测量。阐述了锆对Ti-V-Al-Zr合金应变恢复特性及断裂机理的影响。随着锆含量的增加,固溶体和铸态Ti-V-Al-Zr合金的延伸率和拉伸强度先增大后减小。结果表明,随着锆含量的增加,延伸率增大。样品(Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(x=0.5)的最小延伸率仅为12.2%。当样品中加入1%原子比的锆时,合金的延伸率由12.2%提高到14.1%。当锆含量为2.0%时,合金的延伸率达到最小值,最小延伸率为10.2%。随着锆含量的增加,屈服强度和最大拉伸强度增大。屈服强度和拉伸强度((Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(X=0.5)合金最小,分别达到295兆帕和640兆帕。最小延伸率的((Ti-13V-3Al)_(100-x)Zr_x(X=2)合金的屈服强度和拉伸强度最大,分别达到540兆帕和790兆帕的最大拉伸强度和屈服强度。随着锆含量的进一步增加,韧窝尺寸进一步减小,韧窝尺寸变得更加均匀,韧窝底部变得光滑柔和,没有出现撕裂痕迹。此外,还观察到了韧窝内部存在的第二相粒子,随着Zr含量的增加,第二相粒子的数量也越来越多,这与不同Zr含量的Ti-13V-3Al合金拉伸应变的演化有关。随着锆含量的增加,固溶锆掺杂Ti-V-Al合金的可恢复应变减小。当Zr含量降至0.5%时,8%预应变下的最大回复应变为4.6%。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG139.6;V252

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