热处理工艺对Ti-Ni合金相变及形状记忆行为的影响

作者：信息来源:模具 2008-7-4

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2Ni合金相变及形状记忆行为的影响。结果表明，冷变形Ti-Ni合金中温退火后相变类型为，组织形态呈纤维状。中温退火后，形状记忆效应（SME）良好。关键词：Ti-Ni合金热处理相变形状记忆效应Effect of Heat Treatment Process on Transformationand Shape Memory Behaviour of Ti-Ni AlloyHe Zhirong（Department of Mechanica...

【摘要】　研究了热处理工艺对Ti-50.2Ni合金相变及形状记忆行为的影响。结果表明，冷变形Ti-Ni合金中温退火后相变类型为，组织形态呈纤维状；固溶＋低温退火处理后，相变类型为PM，组织形态呈等轴状。中温退火后，形状记忆效应（SME）良好。随中温退火温度（T_h）升高，R、P相变温度降低，M相变温度升高。T_h≥823K后，SME变差。冷却方式、淬火次数对相变类型和SME影响不大。
关键词：Ti-Ni合金　热处理　相变　形状记忆效应

Effect of Heat Treatment Process on Transformation
and Shape Memory Behaviour of Ti-Ni Alloy

He Zhirong（Department of Mechanical Engineering，Shanxi Institute of Technology，Hanzhong 723003）

【Abstract】 The effect of heat treatment process on the transformation and shape memory behaviour of Ti-Ni alloy have been investigated．The results are as follows．After intermediate temperature annealing，the transformation type of the cold worked Ti-Ni wire is P→R→M，and microstructure is fibrous structure．When low temperature annealing after solution treatment is taken，the transformation type is PM，and the microstructure is equiaxial grain．Shape memory effect （SME） is better after intermediate temperature annealing．With increasing annealing temperature（T_h），R，P transformation temperature is decreased，and M transformation temperature is increased．As T_h≥823K，SME changed into bad．Cooling way and quenching times have little effect on transformation type and SME．
Key words：Ti-Ni alloy，heat treatment，transformation，shape memory effect

　　Ti-Ni合金具有良好的形状记忆效应（SME）^［1］。为了获取SME，对近等原子比Ti-Ni合金，可采用中温退火处理或固溶＋低温退火处理；对富Ni合金，除上述处理方法外还可采用时效处理^［2］。同一合金按不同工艺处理后的相变及形状记忆行为的对比研究尚未见报道。本文以Ti-50.2Ni合金为对象，旨在系统研究热处理工艺因素对Ti-Ni合金相变及形状记忆行为的影响，为优化形状记忆处理工艺提供依据。

1　试验方法
　　以纯度为99.9％的电解镍和99.7％的海绵钛为原料，用真空中频感应炉熔炼了Ti-50.2Ni（原子百分数）合金。合金铸锭经旋锻、拉拔等多道工序制成直径分别为1mm和3mm的丝。试样分别经中温（673～823K）退火和固溶（1113K）加低温（533K）退火处理，冷却方式采用水冷或空冷。相变温度、相变热等用Perkin Elmer DSC 7型示差扫描热分析仪（DSC）测量，加热冷却速率为10K／min，温度范围233K～423K。显微组织在S-2700扫描电镜上观察。腐蚀剂为HF∶HNO₃∶H₂O＝1∶4∶5。SME用弯曲法和拉伸法测试。弯曲法的弯曲半径为10mm。拉伸试验在Instron　1195型电子拉伸机上进行，应变速率为3×10^－3，试样尺寸φ1mm×140mm，标距60mm。

2　试验结果
2.1　加工状态对相变和SME的影响
　　Ti-50.2Ni合金在冷加工、693K中温退火及1113K固溶＋533K低温退火状态下，加热冷却时的热分析DSC曲线如图1所示，其中R、M和P分别代表R相、马氏体和母相。由图1可见，在冷加工和中温退火状态下，Ti-Ni合金加热冷却时的相变类型皆为^［3］，经固溶＋低温退火后的相变类型为PM^［3］。3种加工状态相比，中温退火后Ti-Ni合金的相变峰最尖锐，相变热（峰面积）最大。

图1　不同加工状态下Ti-Ni合金的热分析DSC曲线
1.冷加工状态　2.693K退火
3.1113K固溶＋533K退火

　　对直线状Ti-Ni丝用弯曲法测试了3种加工状态下的SME。结果表明，中温退火后的SME最好。
　　不同加工状态下Ti-Ni合金丝的组织如图2所示。中温退火后，组织形态仍保持纤维状（图2a）。固溶＋低温退火后，组织形态呈等轴状（图2b）。

图2　Ti-Ni合金的显微组织　×500
（a）673K退火　　（b）1113K固溶＋533K退火

2.2　中温退火工艺对相变及SME的影响
2.2.1　退火温度　中温退火温度（T_h）对Ti-50.2Ni合金DSC曲线的影响如图3所示。随T_h升高，R、P相变峰移向低温，M峰移向高温。T_h≥823K时，R、M峰合并为一个峰，仅发生PM型转变。图4给出了T_h对相变温度T（相变峰顶对应温度）和相变热Q（相变峰面积）的影响。其中，T_R、T_M、T_P分别表示P→R、R→M、M→P相变温度，Q_R、Q_M、Q_P分别表示相应的相变热；由图4a可见，在673～773K范围内，随T_h升高，T_P、T_R降低，T_M升高。当T_h≥773K后，随T_h升高，T_p、T_M升高。另外，由图4b知，随T_h升高，Q_R、Q_M、Q_P升高，且在T_h＝693K处Q达极大值，Q的最大值则在T_h＝823K处。　

图3　退火温度对Ti-50.2Ni合金DSC曲线的影响
1.673K　2.693K　3.723K　4.773K　5.823K

图4　退火温度对Ti-50.2Ni合金
相变温度（a）和相变热（b）的影响
1.T_P　2.T_R　3.T_M　4.Q_P　5.Q_M　6.Q_R

图5　退火温度对Ti-50.2Ni合金σ—ε曲线
及其应变恢复效应的影响

图6　冷却方式和淬火次数对Ti-50.2Ni合金DSC曲线（a）
和σ—ε曲线（b）的影响。
1.空冷　2.水冷一次　3.水冷两次

　　中温退火温度对Ti-50.2Ni合金应力（σ）—应变（ε）曲线及其SME的影响如图5所示，虚线表示加热时应变恢复情况。在673～723K退火处理后，σ—ε曲线上出现了两个台阶，第一个台阶较小，由R相引起，第二个台阶较大，由M相引起^［4］，当T_h≥773K时，R相应变台阶不再出现。
　　另外，R相再取向应力（σ^R_r）随T_h升高而下降。M再取向应力（σ^M_r）的大小取决于加热温度，693K、773K处理后σ^M_r较高。当T_h在673～773K时，应变恢复率为100％，当T_h＝823K时，应变仅部分恢复。
2.2.2　冷却方式与淬火次数　图6给出了冷却方式和淬火次数对Ti-50.2Ni合金DSC曲线和σ—ε的影响。在空冷、水冷及淬火一次、两次情况下，相变类型相同，R相变温度变化不大，M正逆相变温度有所不同；σ—ε曲线形状基本相同，σ^R_r保持不变，σ^M_r有所不同但波动不大。

3　讨论
　　处于加工硬化状态的Ti-Ni合金的组织呈纤维状，内部存在高应力和高密度位错等不可逆缺陷，种组织状态对随后加热冷却时的相变过程会产生抑制作用，故该状态下DSC曲线上的相变峰小而平缓。对上述冷加工状态的合金在673～773K中温退火后，组织处于回复状态，尚未达到再结晶程度，故呈纤维状。而此时应力完全释放，位错通过滑移、攀移，密度降低，加工硬化程度削弱，形成稳态组织，对相变过程抑制作用减小，故该状态下DSC曲线上相变峰大而尖锐。冷加工Ti-Ni合金经1113K固溶＋533K退火处理后，组织状态与中温退火完全不同。1113K远高于该合金的再结晶温度^［5］，经1113K加热处理后，不仅冷加工应力完全释放，位错密度大大下降，而且等轴晶粒取代了纤维组织，处于平衡组织状态。但随后水冷时因激冷之故在组织中又引入了很高的热应力和大量的位错。该组织状态经533K低温退火后，虽然应力释放了，但位错密度较高，组织状态复杂，抑制了R相变的进行，故随后加热冷却时只发生MR转变，且相变峰比中温退火的小。从相变方面看，中温退火较理想的工艺。
　　中温退火时，加热温度越高，冷加工组织状态回复越彻底，并逐渐向再结晶组织状态靠近。因此，随T_h升高，DSC曲线上R、M峰逐渐靠近，最终合并成一个峰，与固溶处理状态类似。
　　由σ—ε曲线知，T_h在673～723K时，σ—ε曲线上存在一小一大两个台阶。小台阶系R相在应力作用下再取向产生的应变量，大台阶为M再取向产生的应变量。当变形温度在Ms～R_f之间时才产生这种双台阶效应^［4］。773K处理后，由于拉伸试验温度（室温）高于R相变温度，故R相再取向台阶不出现，823K处理后不存在R相变。
　　试验表明，Ti-Ni合金在673～823K处理时，以823K的相变热最大，但其SME却最差，因此，相变热的大小是SME优劣的必要非充分条件^［6］。
　　Ti-Ni相系置换固溶体，属淬火软化型合金，冷却方式对其相变类型、相变温度和SME影响不大。与水冷相比，空冷后M及其逆相变温度较低，而相变温度越低，该合金室温强度越高，故空冷后有较高的σ^M_r。
　　淬火次数对该合金相变类型和SME行为影响不大，两次淬火后M及其逆相变温度略有升高，故σ^M_r略有下降。实际上，若对相变温度要求不高时，可用重复中温退火法恢复，改善失效元件的形状记忆行为。

4　结论
　　（1）　冷加工Ti-Ni合金在中温退火状态下，相变类型为；在固溶＋低温退火状态下，相变类型为PM。中温退火后，合金的相变峰大而尖锐，形状记忆效应良好。
　　（2）　中温退火组织呈纤维状，固溶处理＋低温退火组织为等轴晶。
　　（3）　中温退火时，随T_h升高，R、P相变温度降低，M相变温度升高。T_h为673～773K退火后，SME良好，T_h≥823K后，SME变差。
　　（4）　冷却方式和淬火次数对相变类型和SME影响不大。
　　本研究得到了西安交通大学金属材料强度家重点实验室和陕西师范大学热分析实验室的大力协助。加部分工作的还有陕西工学院毕业生李阿英。