NiTiNb形状记忆合金应力松弛规律及表征技术研究

发布时间：2020-03-20 21:25

【摘要】：NiTiNb形状记忆合金因兼具优异的形状记忆性能和机械性能,广泛的应用于管接头等需要连接与密封的场合。连接与密封条件下,应力松弛行为是影响其寿命和使用可靠性的关键因素。应力松弛表征方法当前主要采用一维材料拉伸法。采用该方法开展室温条件下应力松弛研究的时间可长达数年,且仅能对材料宏观应力松弛行为进行简单模拟,不适于应力松弛行为的系统研究。针对NiTiNb形状记忆合金的应力松弛研究,已开展的工作较少,当前仅基于拉伸试验开展了一些材料级的高温应力松弛规律研究,而对反映NiTiNb形状记忆合金实际使用状态的、室温条件下的应力松弛及其主要影响因素尚无研究工作。本文针对NiTiNb形状记忆合金的室温应力松弛表征需求,以当前应用最为广泛的Ni47Ti44Nb9形状记忆合金及其管接头为研究对象,系统开展了N 47Ti44Nb9形状记忆合金的室温应力松弛表征新方法与室温应力松弛规律研究。首先,模拟Ni47Ti44Nb9合金的实际使用过程,采用具有控温及力学测试功能的中子衍射装置原位开展了回复过程中物相转变规律及其与回复应力关系研究,并基于试验结果与Ni47Ti44Nb9合金相变规律等对试验现象进行了深入分析,为深入了解回复应力变化的规律与机理提供了重要的参考。然后,基于纳米压痕仪建立了 Ni47Ti44Nb9形状记忆合金室温应力松弛快速、经济的表征方法;采用该方法研究了加载速度、加载载荷等参量对Ni47Ti44Nb9合金室温应力松弛规律的影响,并结合位错移动理论对试验现象进行了深入分析;设计试验开展了不同回复温度对形状记忆合金产品应力松弛规律的影响,并对比了其与1Cr18Ni9、ZL204等常见金属材料的应力松弛风险。本部分研究结果将有助于全面了解NiTiNb形状记忆合金的室温应力松弛规律。最后,基于X射线衍射仪建立了 Ni47Ti44Nb9形状记忆合金产品室温应力松弛在线的表征方法;论证了通过表面应力间接表征回复应力的可行性;并研究了不同回复温度对约束回复管接头表面应力的影响规律,测试了经约束回复处理的管接头室温条件下5个月内的应力松弛规律。本部分的研究内容将有助于解形状记忆合金产品实际使用状态下的应力松弛规律。通过本项目的研究,建立起了 NiTiNb形状记忆合金室温应力松弛快速、经济、无损、原位的表征方法,获得了 NiTiNb形状记忆合金典型使用条件下的室温应力松弛规律。研究结果将有助于系统开展NiTiNb形状记忆合金室温应力松弛研究工作,并指导NiTiNb形状记忆合金产品的制备过程优化和可靠性提升。
【图文】：

形状记忆效应,超弹性,合金,形状记忆材料

１．１形状记忆合金概述逡逑形状记忆材料是一类能够“记忆”其初始形状的智能型功能材料，其主要特点是在逡逑某一温度下受外力作用而变形，去除外力后仍保持其变形后的形状，但于较高温度下能逡逑自动恢复到变形前的原有形状，呈现出对原有形状保持记忆的功能，这种功能（或特性）逡逑称为形状记忆效应（Ｓｈａｐｅ邋Ｍｅｍｏｒｙ邋Ｅｆｆｅｃｔ，ＳＭＥ）。逡逑形状记忆材料是２０世纪７０年代才发展起来的一类新兴功能材料。这类材料包括晶逡逑体和高分子两类，晶体的形状记忆效应与马氏体相变有关，而高分子的形状记忆合金往逡逑往借助玻璃态转变或其他物理条件的激发实现。逡逑形状记忆合金（Ｓｈａｐｅ邋Ｍｅｍｏｒｙ邋Ａｌｌｏｙ，邋ＳＭＡ）是形状记忆材料里应用最为成功的一类逡逑晶体材料，它在具有显著的形状记忆效应的同时，还兼具良好的机械性能，是集感知与逡逑驱动于一体的智能材料。因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的逡逑元器件而备受瞩目，获得了广泛应用。逡逑１．１．１形状记忆合金特性逡逑－

超弹性,弹簧

超弹性是指当ＳＭＡ处于较高环境温度时，，对其施加应力使其发生较大变形，当应逡逑力释放后，ＳＭＡ仍能回到变形前初始形状的现象。基于超弹性，ＳＭＡ可用在很多需要逡逑大变形和大阻尼的结构中。典型的超弹性如图１－２所示，通过重物对超弹性ＳＭＡ丝加逡逑载，会使ＳＭＡ丝发生较大变形，当取下重物后，ＳＭＡ丝会自动回复到加载前的形状。逡逑若反复重复上述过程，对超弹性状态的ＳＭＡ丝反复加载及卸载循环，称为超弹性循环。逡逑弹性循环下的应力－应变曲线见图１－３，其应力应变曲线将形成滞回圈，耗散机械加载的逡逑能量，因此ＳＭＡ具有良好的阻尼特性。ＮｉＴｉ基合金的比阻尼可达到１５％－２０％，邋ＣｕＺｎＡＪ逡逑合金的比阻尼高达３０％－８５％，是优秀的阻尼材料。逡逑ｍｕ逦＾逡逑Ｍ邋ｉｌ逡逑应变逡逑图１－２邋ＳＭＡ超弹性弹簧逦图１－３超弹性循环下的应力－应变曲线逡逑１．１．２形状记忆合金发展历程逡逑ＳＭＡ从发明至今，共经历了形状记忆效应发现（２０实际３０－５０年代）、ＮｉＴｉ基合金逡逑发明并推广应用（２０世纪６０－７０年代）和全面提高发展（２０世纪８０年代至今）三个阶段。逡逑第一阶段，２０世纪３０－５０年代，ＳＭＡ的形状记忆效应被发现。１９３２年瑞典化学家逡逑Ｏｌａｎｄｅｒ首次发现了邋ＡｕＣｄ合金总存在金属相变
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.6

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