重熔NiTi形狀記憶合金成分、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金由于其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和良好的綜合性能，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，NiTi形狀記憶合金優(yōu)越的性能強(qiáng)烈依賴于其成分、處理過(guò)程及雜質(zhì)含量，故對(duì)制備和加工要求非常嚴(yán)格，成本較高，這已成為制約其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的因素之一。與此同時(shí)，NiTi形狀記憶合金器械的加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的邊角料，材料利用率非常低。因此，迫切需要對(duì)NiTi形狀記憶合金邊角料加以利用，甚至實(shí)現(xiàn)循環(huán)應(yīng)用。目前對(duì)金屬材料循環(huán)利用的有效方法是對(duì)廢料進(jìn)行回爐

2、重熔，然而還未見(jiàn)NiTi形狀記憶合金重熔的研究報(bào)道。因此，弄清重熔后NiTi形狀記憶合金的成分、結(jié)構(gòu)與性能，將為該合金的循環(huán)利用研究提供一定依據(jù)，具有重要的理論價(jià)值與實(shí)際意義。 本文采用真空感應(yīng)熔煉的方法，在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別用ZrO2坩鍋和石墨坩鍋，對(duì)不同配比的NiTi形狀記憶合金邊角料與電解鎳和海綿鈦的混合重熔及完全邊角料重熔進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)果，采用工業(yè)生產(chǎn)工藝，對(duì)NiTi形狀記憶合金邊角料進(jìn)行重熔。詳細(xì)研究

3、了NiTi形狀記憶合金工業(yè)重熔后的成分、結(jié)構(gòu)、相變行為、形狀記憶效應(yīng)及其力學(xué)性能，分析了其性能變化的原因。研究結(jié)果表明： 采用石墨坩鍋重熔后合金中雜質(zhì)元素主要是C、O的增加，C的增加主要來(lái)源于熔體與石墨坩鍋的反應(yīng)，反應(yīng)程度隨邊角料含量增加而增加，并遵循溶解析出的反應(yīng)機(jī)制。同時(shí)邊角料中相對(duì)較高的C含量也會(huì)在重熔后進(jìn)行累積。O元素來(lái)源于原料和熔煉氣氛，在凝固過(guò)程中雜質(zhì)元素。存在聚集于鑄錠邊緣的趨勢(shì)。采用ZrO2坩鍋重熔后合金中的C含

4、量與石墨坩鍋重熔的相比有所下降，但會(huì)使合金增O，同時(shí)引入了新的雜質(zhì)元素Zr，這對(duì)NiTi形狀記憶合金是非常不利的。雜質(zhì)元素N、H的含量比較低，但隨邊角料增加相應(yīng)增加?；旌现厝酆?，合金的組織不均勻，成分偏析嚴(yán)重。盡管完全由邊角料重熔后合金中的雜質(zhì)含量相對(duì)較高，但在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，且組織比混合重熔合金的均勻，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗笠搀w現(xiàn)出明顯的熱彈性馬氏體相變行為。 重熔后合金中的雜質(zhì)相主要是TiC，且其形貌、尺寸不一，并出現(xiàn)大塊Ti

5、C沿晶界分布的現(xiàn)象。合金中還出現(xiàn)了尺寸較大、不規(guī)則的Ti44Ni25O31氧化物，但數(shù)量較少。重熔合金熱軋后出現(xiàn)明顯的擇優(yōu)取向，晶粒破碎嚴(yán)重。經(jīng)熱處理后，變形晶?；謴?fù)，但比一次熔煉合金的細(xì)小。時(shí)效后重熔合金在室溫下出現(xiàn)了R相，抗熱沖擊的能力降低。 由于C、O含量的增加，造成重熔后合金中局部Ni/Ti比增大，Ti3Ni4析出相增多，合金中第二相及其周圍的晶格畸變?cè)黾樱瑢?duì)馬氏體相變時(shí)界面遷移的阻礙作用增加；另外，由于合金中馬氏體相與

6、B2母相、TiC與B2相在<110>晶向的位向關(guān)系，及B2/TiC的界面的半共格關(guān)系，母相沿<110>晶向切變形成馬氏體及其逆相的過(guò)程變受TiC的阻礙，重熔合金中TiC含量增加，阻礙作用增強(qiáng)。上述共同作用的結(jié)果導(dǎo)致重熔后合金出現(xiàn)復(fù)雜的相變行為，相變溫度降低，相變溫度區(qū)間變寬，形狀記憶效應(yīng)下降。合金的電阻溫度系數(shù)與TiC含量有關(guān)，TiC含量為0.1at％的合金呈現(xiàn)出正的電阻溫度系數(shù)，而TiC含量為0.5at％的合金卻表現(xiàn)為反常的負(fù)電阻溫度

7、系數(shù)。重熔后合金室溫拉伸過(guò)程中的延伸率降低，合金中雜質(zhì)含量對(duì)其塑性變形的影響隨時(shí)效溫度的升高而加大，這歸因于雜質(zhì)相及Ti3Ni4析出相對(duì)R相及B19'相變的影響。析出相增多、晶粒細(xì)化使得重熔合金表現(xiàn)出略高的強(qiáng)度。上述原因也導(dǎo)致其在彎曲載荷的作用下變形能力變差，抗彎能力增高。SEM原位拉伸觀察表明，由于應(yīng)力集中，塊狀Tic相是合金中薄弱的區(qū)域。重熔后合金加載過(guò)程中在TiC相周圍產(chǎn)生大量微裂紋，微裂紋同時(shí)擴(kuò)展、相互奎接，使其快速斷裂，加之合