NiTi形狀記憶合金熱變形行為研究

2020-08-04 10:20:06鐘益平

世界有色金屬 2020年8期

鐘益平

（上海云鑄三維科技有限公司，上海 200000）

形狀記憶合金是一種特殊的金屬材料，其在具備金屬特性的同時還具有形狀記憶效應，被公認為是金屬基功能材料的典型代表[1，2]。因此，該類型合金應用十分廣泛，其中包括航天飛機天線、載人飛船軸承、微創手術刀、人造關節、新能源汽車等。NiTi形狀記憶合金作為新型金屬功能材料，目前發展極為迅速。但是，現階段研究結果發現，該體系的合金強度與硬度尚需要一定的提升空間。為此國內外學者通過對合金成分的調整、添加新的合金元素，力求提高其力學性能。但是，隨著強度和硬度的提高，該合金出現了熱變形困難的問題，嚴重制約了該體系合金的應用[3，4]。基于此，本文對NiTi形狀記憶合金的熱變形行為進行了研究，揭示了工藝參數對m值、Q值的影響規律，建立了變形本構方程。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本研究中的材料為通過多次真空熔煉的NiTi合金鑄錠，名義成分如表1所示。

表1 NiTi形狀記憶合金名義成分（質量分數，%）

1.2 實驗方法

實驗設備及工藝如表2所示。

表2 實驗設備及工藝

2 實驗結果分析與討論

2.1 應力-應變曲線

圖1 NiTi合金真應力應變曲線

圖1為NiTi形狀記憶合金800℃、900℃下不同應變速率（0.005-10s-1），變形量為0.7時的應力應變曲線。從圖中可以看出，隨著應變應變速率的增加該合金的峰值流變應力、穩態流變應力均增大，且變化規律較為相似。對于金屬材料而言應力-應變曲線是其熱變形加工過程變形抗力變化特征的體現。該合金熱變形抗力的變化趨勢為先迅速增大，達到峰值后下降，然后有一段微小的上浮波動，但總體為降低趨勢，直至達到穩定狀態。流變應力的變化是由于合金在熱變形過程中發生了位錯運動與微觀組織轉變，位錯纏結導致應力上升，晶界滑移與動態再結晶使得應力下降。

2.2 應變速率敏感性指數（m）

應變速率敏感性指數（m）是衡量金屬材料熱成形性能好壞的重要參數之一，m值越大成形性能越好，當m值大于0.3時，材料具備超塑性成形性能。另外，m值還能直觀的表征應變速率對材料加工性能的影響。

圖2為NiTi形狀記憶合金應變速率?與流變應力σ之間的關系曲線，圖中直線的斜率即為m值，計算結果如表3所示。

圖2 NiTi合金真應力應變曲線

表3 NiTi合金的應變速率敏感性指數（m）

從表3中可以看出，NiTi合金不同熱變形工藝條件下的m值在0.15-0.24之間，m值小于0.3，該合金在上述變形條件下不具備超塑性。

m值的變化規律呈現隨著溫度的升高先增大后減小的趨勢，在1000℃時達到最大值，為0.25。當溫度升高至1100℃時，m值略下降，相比于800℃以下溫度，提高溫度有利于該合金的熱變形。但是，在工藝制定時還需要考慮微觀組織穩定性因素，變形溫度過高會導致晶粒尺寸長大，造成組織不穩定。

2.3 變形激活能（Q）

金屬材料熱變形過程的物理本質是能量的耗散與再分配過程，無論是位錯運動還是組織轉變都要經歷能量的變化。因此變形激活能（Q）值能夠真實的反應材料熱變形機理。

圖 3、圖 4分別為 NiTi合金 ln?-ln[sinh(ασ)]與ln[sinh(ασ)]-1/T的變化曲線。

圖3 ln?-ln[sinh(ασ)]關系曲線

圖4 ln[sinh(ασ)]與1/T的關系

將圖3、圖4中的斜率帶入下式中，計算該合金的熱變形激活能，Q=287.28kJ/mol。

2.4 本構方程

金屬材料熱變形過程通常遵循Arrhennius方程，如下所示：

式中，?-應變速率，σ-流變應力，Q-激活能，其余參數均為常數（與溫度無關），對上式進行數學變換可得：

取圖5（a）中各直線斜率的平均值，得n1=4.93；取圖3.6（b）中各直線斜率的平均值得β=0.02038，所以α=β/n1=0.0041。根據Zener-Holloman參數（Z）模型，繪制lnZ-ln[sinh(ασ)]關系曲線，如圖5所示。通過計算可得n=3.63493，A=e26.43151。