镍钛记忆合金准静态加载下X射线原位衍射成像研究

发布时间：2020-11-11 23:45

　　 NiTi形状记忆合金作为一种性能优异的功能材料,不仅具有独特的超弹性、形状记忆效应也有比较高的强度和韧性,在工程、医学、航天等领域具有巨大的应用前景。NiTi合金优异的性能来源于其内部发生的马氏体相变,材料的力学性能是由材料的微观结构所决定的,为了NiTi合金更好的开发应用,需要对材料微观结构、宏观力学行为、相变行为三者的关系有更系统深入的研究。本论文使用原位X射线衍射、成像技术,该技术可以在材料进行力学加载时快速实时的给出材料组成相的体积百分比、晶格参数变化、择优取向演化、细观应变场等信息,尤其在研究加载时材料相变行为具有无可替代的优势。本论文应用同步辐射原位衍射、成像技术实验技术对等近原子比NiTi合金板材在室温准静态拉伸加载情况下材料细观变形应变场、微观衍射谱进行测量分析。针对板材轧制方向及横向分开进行实验,实验发现细晶的NiTi合金板材力学加载行为的各向异性明显受材料织构影响。超快原位的X射线成像结果中并没有发现宏观的马氏体相变迁移条带(吕德斯带),数字图像相关方法(DIC)分析材料的应变场发现较小的应变集中条带可能与材料晶粒较小且晶粒内部孪晶过多有关。高能快速X射线白光衍射结果显示加载过程中相变导致重叠的衍射峰变宽左移且强度分散变弱,配合实验室单色光衍射结果的佐证相变的发生过程。对于NiTi合金板材不同的织构和晶粒尺寸大小对材料相变行为影响问题,首先使用了X射线极图测量和电子背散射技术分别表征材料初始织构与材料晶粒取向与分布信息。然后在自主开发的小型材料试验机上对同尺寸材料进行同应变率的室温准静态拉伸半原位X射线衍射实验,加载至断裂后应用扫描电子显微镜获取样品断口的二次数字图像。实验室X射线衍射结果发现材料相变衍射峰演化过程与材料初始ζ-丝织构相关,经过峰形拟合和简化的全谱拟合后,大致给出相变程度与宏观加载的联系。应力诱导马氏体的衍射峰对于晶粒小的样品表现出更小的择优取向现象。马氏体相变完成点在应力-应变平台之后,卸载后是否恢复形变与奥氏体相与应变量和材料内位错孪晶阻碍作用有关。光学成像结果显示了加卸载过程中样品的应变条带演化。本论文所采用的研究方法和相关讨论为发展实验室X射线下原位加载技术提供了素材与思路,相关实验和结论为进一步研究NiTi合金多晶的择优取向关系,宏观力学行为与相变行为的研究提供了参考和实验证据。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG139.6
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 形状记忆效应
        1.2.1 记忆合金的马氏体相变
        1.2.2 NiTi合金的形状记忆效应
    1.3 NiTi合金晶体学
        1.3.1 NiTi合金的晶体结构
        1.3.2 奥氏体与马氏体的晶体学点阵关系
        1.3.3 相变机制的理论研究
    1.4 研究现状
    1.5 本论文研究意义和内容
第2章 实验研究方法与装置
    2.1 衍射理论
        2.1.1 X射线与原子的相互作用
        2.1.2 结构因子
        2.1.3 粉末衍射的强度
        2.1.4 衍射峰形
        2.1.5 峰形拟合与分析
        2.1.6 全谱拟合
        2.1.7 织构表示方法
    2.2 台式衍射仪衍射实验
        2.2.1 实验室下衍射几何
        2.2.2 台式衍射仪及自制拉伸装置
    2.3 美国阿贡国家实验室先进光源X射线原位衍射成像技术
        2.3.1 装置原理
        2.3.2 同步辐射下成像与衍射方法
        2.3.3 X射线数字图像相关方法
第3章 同步辐射NiTi合金加载下衍射成像研究
    3.1 引言
    3.2 实验材料与方法
    3.3 实验结果讨论与分析
        3.3.1 宏观力学行为X射线衍射分析
        3.3.2 DIC应变场分析
    3.4 小结
第4章 原位加载NiTi合金的衍射研究
    4.1 引言
    4.2 实验材料与方法
    4.3 实验结果讨论与分析
        4.3.1 初始表征
        4.3.2 相变行为与吕德斯带
        4.3.3 断口观察及实验相关分析
    4.4 小结
总结
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

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本文编号：2879922