Cu-Al-Mn形狀記憶合金焊接性能研究.pdf

1、1第一章緒論第一章緒論1.11.1形狀記憶合金的發(fā)展概況形狀記憶合金的發(fā)展概況形狀記憶合金（shapememyalloy）是一種可以通過應(yīng)力或溫度誘發(fā)相變的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)形狀記憶或變形回復(fù)的功能材料，是上世紀(jì)70年代才發(fā)展起來的一種新興材料，被稱為“跨越21世紀(jì)的理想材料”[12]。近年來，國內(nèi)外對該類合金的機(jī)理及應(yīng)用的研究和開發(fā)十分積極，并取得了不少有價值的成果[36]。記憶合金具有的兩大特性——形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，在溫度控制、自動

2、做功、記憶形狀、超彈性回復(fù)等應(yīng)用方面具有極大的實(shí)用價值，因此引起了工業(yè)界的極大關(guān)注，并且已在航空航天工業(yè)、電氣自動化、醫(yī)療器械、數(shù)碼產(chǎn)品、儀器儀表、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域開始應(yīng)用[715]。記憶合金主要分為三類：TiNi、Cu基和Fe基記憶合金。其中TiNi記憶合金的開發(fā)和應(yīng)用最早，并已在實(shí)用化方面取得了顯著成果。TiNi記憶合金的記憶效應(yīng)、超彈性、耐磨性、耐腐蝕性十分優(yōu)秀，并且由于其良好的生物相容性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是Ti

3、Ni記憶合金熔煉和制備困難，需采用昂貴的真空熔煉設(shè)備，且化學(xué)成分控制、成形加工都較難，生產(chǎn)成本很高，不利于大量生產(chǎn)和廣泛使用。Fe基記憶合金雖有價廉、易于加工的特點(diǎn)，但記憶效應(yīng)和偽彈性較差，可回復(fù)應(yīng)變較小(2%～3%)，對殘余應(yīng)變較為敏感[16]，尚處于初步開發(fā)階段。而Cu基記憶合金雖然記憶效應(yīng)不如TiNi記憶合金，但足以滿足一般的記憶效應(yīng)器件的要求，且相變溫度可調(diào)范圍和可利用溫度范圍較寬，在熱敏性上較TiNi記憶合金更為優(yōu)秀，同時原料

4、來源充足，加工性能優(yōu)良，價格僅為TiNi記憶合金的110～15[17]，對于推廣民用十分有利。所以，Cu基記憶合金是繼TiNi記憶合金之后又一實(shí)用性較強(qiáng)的形狀記憶材料，是當(dāng)前最具工業(yè)應(yīng)用價值的記憶合金。隨著Cu基記憶合金應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，焊接在該材料的實(shí)用化生產(chǎn)中已經(jīng)成為了重要環(huán)節(jié)，所以如何對其進(jìn)行有效可靠的焊接，同時又能保證焊接后記憶回復(fù)性能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.21.2形狀記憶合金的特性形狀記憶合金的特性1.2.1形狀記憶效應(yīng)

5、一般的金屬材料在受到外力作用時，會發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)后就會發(fā)生塑性變形且在去除外力后會留下永久性形變。但有些金屬在發(fā)生了塑性變形之后，將其加熱到一定溫度時，可以自行回復(fù)成變形前的形狀，這種特性叫做形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬通常由兩種以上元素組成，故稱其為形狀記憶合金。形狀記憶合金所具有的各種特性是由馬氏體相所變引起的，馬氏體相變具有熱效應(yīng)和體積效應(yīng)，屬于無擴(kuò)散相變，且在馬氏體相變過程中母相和馬氏體3貢獻(xiàn)，即結(jié)構(gòu)各向異性和

6、馬氏體相變之間形成一種相互作用[21]。富鎳TiNi形狀記憶合金經(jīng)由特殊處理后可以呈現(xiàn)一種特殊的雙程形狀記憶效應(yīng)，其主要特點(diǎn)為合金材料不僅可以在冷卻時回復(fù)到馬氏體變形后的形狀，而且當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時，繼續(xù)變形成為與高溫相形狀相同但取向相反的形狀[2223]。這種形狀記憶效應(yīng)稱為全程形狀記憶效應(yīng)，或者全方位形狀記憶效應(yīng)。1.2.2偽彈性及超彈性具有熱彈性馬氏體相變的合金，除了可以表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)外，經(jīng)過一定工藝處理還可以呈現(xiàn)偽彈性或超彈

7、性。當(dāng)合金材料經(jīng)受應(yīng)力，產(chǎn)生超過其彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變時，應(yīng)力可作為相變驅(qū)動力使母相發(fā)生馬氏體相變，當(dāng)應(yīng)力卸載后，部分應(yīng)變由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體（SIM）逆相變?yōu)槟赶喽詣踊貜?fù)，呈現(xiàn)出彈性特征，因而稱為偽彈性，當(dāng)應(yīng)變能夠全部回復(fù)時稱為超彈性。圖12所示為呈現(xiàn)超彈性和偽彈性時的典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意圖。圖中可見，形狀記憶合金在Af點(diǎn)以上一定的溫度區(qū)間內(nèi)變形時呈現(xiàn)出超彈性，在加載和卸載圖12呈現(xiàn)超彈性（左）和偽彈性（右）的應(yīng)力─應(yīng)變曲線示意圖

8、曲線上均出現(xiàn)明顯的屈服平臺，即應(yīng)力隨應(yīng)變的增加變化較小，且應(yīng)力卸載后應(yīng)變自動回復(fù)。但這種應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性，不滿足胡克定律，卸載后應(yīng)變回復(fù)量較大，因此又稱這種彈性行為為非線性超彈性。當(dāng)形狀記憶合金在Af點(diǎn)以下Ms點(diǎn)以上的溫度區(qū)間內(nèi)變形時，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變不能完全回復(fù)，表現(xiàn)為偽彈性。其剩余應(yīng)變在經(jīng)升溫至As點(diǎn)以上后可以逐漸回復(fù)，這部分應(yīng)變稱為可回復(fù)應(yīng)變，而當(dāng)溫度升至Af點(diǎn)以上后，可能還存在小部分殘余應(yīng)變，稱其為永久應(yīng)變?？苫貜?fù)應(yīng)變