冷拉拔镍钛合金纤维马氏体相变行为和弹热性能研究

发布时间：2020-04-18 13:14

【摘要】：NiTi合金具有良好的记忆效应、超弹性及力学性能,是性能最优良、应用最广泛的形状记忆材料。弹热制冷是利用应力诱发马氏体相变,通过加卸载循环制冷的新型固体制冷技术,其中NiTi合金的弹热性能受到了广泛关注。本文采用冷拉拔和焦耳退火相结合的方法制备连续、直径均匀且表面质量好的NiTi合金纤维,研究热处理对纤维成分、物相、显微组织及马氏体相变的影响,获得晶粒尺寸为微米和纳米量级的纤维,通过研究其超弹性、双程形状记忆效应,分析R相变和B19’相变的对应的弹热性能特点。对冷拉拔后获得的直径170μm的纤维进行热处理,发现1000℃固溶60min后晶粒尺寸为5-15μm(微米晶),而冷拉拔后在450℃时效30-180min后晶粒尺寸为20-40nm(纳米晶)。固溶后的纤维在450℃时效15-2400min,通过差示扫描量热仪(DSC)分析表明时效后的微米晶纤维B19’相变温度随时效时间迅速升高(300min后),相变温差减小;纳米晶纤维中B19’相变受到抑制,只发生R相变;随后纳米晶纤维在300℃下低温时效60-300min,发现R相变温度随低温时效时间增加而升高,其中时效60min和120min的纤维中发生两步R相变。利用动态力学分析仪(DMA)研究NiTi合金纤维中对应于R相变和B19’相变的超弹性和双程形状记忆效应。R相变温度滞后小于5℃,应力滞后小于10MPa,3次超弹性循环即可获得稳定的超弹性;而B19’相变温度滞后大于60℃,应力滞后大于200MPa,所以R相变较B19’相变具有更高的循环稳定性;R和B19’相变均产生显著的弹热效应,300MPa应力下R相变等温熵变值约为20J/kg·℃、B19’相变则为60-80J/kg·℃。B19’相变RC值高达1921.1J/kg,且制冷工作温度区间较R相变要宽,但是B19’相变滞后大,其弹热效应可逆性较R相变要差。对纳米晶NiTi纤维马氏体相变和弹热性能研究发现,纳米晶纤维中不含Ni4Ti3析出相或者含量极低,内应力场小,R相变和B19’相变所需的驱动力小;纳米晶纤维中析出相含量低,减小了相变时的弹性应变能,因此R相变的对称性优于微米晶纤维;另外纳米晶纤维具有较高的屈服强度,其B19’相变超弹性温度区间大于70℃、等温熵变值可达到80J/kg·℃、制冷工作温度区间在30-60℃之间、制冷能力RC值接近2000J/kg,而微米晶纤维中B19’相变超弹性温度区间仅有10℃左右,最大等温熵变值在60 J/kg·℃左右,制冷能力RC值不到400J/kg。综合来看,纳米晶纤维的综合性能明显优于微米晶纤维。
【图文】：

示意图,形状记忆效应,示意图,奥氏体

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文不表现出宏观形状变化，施加单轴外力后，相当于对合金了筛选，即晶体学上有利的变体消耗其他方向变体并长大单一马氏体变体的材料，表现出宏观可见应变，如图（c）Mf 但低于 Ms 时，如图（b）所示只有部分马氏体变体的孪生的宏观可见应变小于图（c）所示情况。应力卸载后，马保持宏观应变；重新将材料加热至 Af 温度以上后，马氏体，奥氏体相不具有变体结构，且相变时马氏体和奥氏体相关系，这样逆转变后形成的奥氏体与变形前在晶体学上完量得到完全恢复，仿佛具有记忆一样，如图（a）所示[15]。变过程中受到阻力作用，一般只能产生单程形状记忆效应emory Effect, OSME)。

曲线,形状记忆,双程,曲线

OSME)。图 1-1 形状记忆效应示意图[16]状记忆合金具有双程形状记忆效应(TW过程中完成应变循环。不同的材料体系在不同的温度区间内发生。确定相变温行热循环，，得到如图 1-2 所示的 T-ε 曲点和终了点之间温度跨度很大，多数相升温和降温曲线不重合表明相变具有温图 1-2 中的 T1）不同。
【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】：2018
【分类号】：TG356.47

【参考文献】