時效調(diào)控型Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金的熱彈性馬氏體相變研究.pdf

1、通常，鐵基合金的馬氏體相變?yōu)榉菬釓椥缘?，這類合金不具備形狀記憶特性。采用奧氏體變形、奧氏體有序化、奧氏體時效熱處理等方法可以調(diào)控鐵基合金的馬氏體相變使其具有熱彈性特征，從而在鐵基合金中獲得形狀記憶效應(yīng)和超彈性。近年來，通過奧氏體時效熱處理引入有序析出相的方法已成功獲得了多種鐵基形狀記憶合金，如，F(xiàn)e-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-Ni-Co-Al-Ta-B等。其中，日本東北大學貝沼（Kainuma）課題組報道的Fe-N

2、i-Co-Al-Ta-B多晶形狀記憶合金，其在室溫具有巨大的超/偽彈性（大于13％的可恢復應(yīng)變，為Ni-Ti形狀記憶合金超彈性8%的兩倍左右）。同時，該合金還具備良好的力學性能、阻尼性能等。由于該合金具有以上諸多的優(yōu)異特性，此外，還因價格低廉、加工性能優(yōu)異，而受到了人們的廣泛關(guān)注。
　　Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金的熱彈性馬氏體相變主要受熱處理工藝影響。經(jīng)固溶、時效熱處理后，隨時效時間的增加，合金的馬氏體相變發(fā)生由熱彈性向

3、非熱彈性轉(zhuǎn)變。時效熱處理引起基體的成分、硬度等變化，析出相的成分、尺寸、分布，以及形態(tài)的改變。這些變化對合金的馬氏體相變特征都有重要影響。因此，系統(tǒng)研究這類析出調(diào)控型鐵基合金的熱彈性馬氏體相變，確定合金熱彈性馬氏體相變的重要影響因素對于優(yōu)化鐵基形狀記憶合金的性能、開發(fā)新型高性能鐵基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金的商業(yè)化應(yīng)用以及降低生產(chǎn)成本等至關(guān)重要。因而，本論文系統(tǒng)研究了析出強化型鐵基形狀記憶合金的熱彈性馬氏體相變。論文首先研究了Fe-

4、28Ni-17Co-11.5Al-2.5Ta-0.05B(at.%)合金中γ’析出相的時效析出，時效處理對合金的馬氏體相變的影響；其次，研究了經(jīng)不同時效處理后，F(xiàn)e-Ni-Co-Al-Ta-B合金馬氏體逆相變后的組織演變規(guī)律；最后，采用HR-TEM分析了Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金基體與析出相的界面結(jié)構(gòu)，結(jié)合馬氏體的熱彈性和非熱彈性特征，得出熱彈性馬氏體與析出相之間的內(nèi)在聯(lián)系。本論文的主要結(jié)論如下：
　　1）Fe-Ni-C

5、o-Al-Ta-B合金固溶態(tài)由γ單相組成；時效態(tài)由γ基體、γ’有序相（晶內(nèi)析出）和β有序相（晶界析出）組成，各相的結(jié)構(gòu)分別為A1、L12有序和B2有序。合金樣品經(jīng)時效后，基體γ相的主要成分為Fe和Co，析出相γ’的主要成分為Ni、Al和Ta。時效時，γ’和β有序析出相分別在γ基體晶內(nèi)和晶界析出，從而引起γ基體中的Ni、Al和Ta合金含量降低。
　　2）Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金發(fā)生的馬氏體相變?yōu)椋害?FCC→α’-BCT

6、/BCC。經(jīng)不同時效熱處理后，合金表現(xiàn)出不同的馬氏體相變特征。經(jīng)固溶或短時間時效處理時，合金的馬氏體相變溫度較低，冷卻至液氮溫度時仍不發(fā)生馬氏體相變，可能的原因是大量的淬火缺陷抑制了馬氏體形核，極大地降低了馬氏體相變溫度。隨時效時間的增加，析出相的析出引起基體成分的變化、硬度增加，導致馬氏體相變溫度升高，而且合金的馬氏體相變呈現(xiàn)熱彈性特征。合金樣品經(jīng)更長時間時效后，析出相的長大導致基體成分、析出相與奧氏體/馬氏體的界面共格關(guān)系變化，使其

7、馬氏體相變溫度進一步升高、相變熱滯增加，最終馬氏體相變呈非熱彈性特征，馬氏體具有更高的熱穩(wěn)定性，如，700℃時效72h的合金合金樣品，在發(fā)生馬氏體相變后，隨后加熱至200℃以上，仍不發(fā)生馬氏體逆相變。
　　3）Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金時效熱處理時，γ’析出相隨時效時間的長大動力學過程具有不同特征。時效初期，γ’析出相的長大動力學過程符合Ostwald熟化機制，600℃和700℃析出相長大動力學方程可分別表示為：600℃

8、時效，γ3-393=0.0005t(72h48h），析出相的長大偏離Ostwald熟化過程。
　　此外，不同的長大階段，合金的馬氏體相變特征不同：符合Ostwald熟化時，合金的馬氏體相變?yōu)闊釓椥缘模欢xOstwald熟化時，合金的馬氏體相變?yōu)榉菬釓椥缘?。這是因為析出相的長大受析出相周圍彈性應(yīng)力場的

9、影響，當析出相與基體保持共格時，彈性應(yīng)力場的大小與析出相與基體錯配度的平方和析出相尺寸成正比；當析出相與基體失去共格時，由于界面錯配位錯的產(chǎn)生，彈性應(yīng)力場降低，析出相迅速長大。
　　4）Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金樣品經(jīng)時效后，隨時效熱處理時間的增加，合金發(fā)生馬氏體逆相變后的“不可恢復的組織”存在以下演變規(guī)律，即：位錯→位錯、層錯→板條馬氏體（亞結(jié)構(gòu)為孿晶）→板條馬氏體。當合金發(fā)生完全逆相變時，與Fe-Pt形狀記憶合金類似

10、，馬/奧界面處存在位錯排列；當合金的馬氏體逆相變導致電阻測試中開始出現(xiàn)不可逆電阻時，合金的微觀結(jié)構(gòu)中有大量的層錯；當不可逆電阻進一步增加時，合金的微觀結(jié)構(gòu)主要由位錯型的板條狀馬氏體組成。
　　5）時效調(diào)控型Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金的熱彈性馬氏體相變受馬氏體相變進程的影響。馬氏體相變越完全，相變時產(chǎn)生的不可恢復的顯微組織增多，如，位錯、層錯等，導致馬氏體穩(wěn)定性增加，鐵基合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性降低。熱誘發(fā)馬氏體相變時，

11、馬氏體片隨溫度的降低而長大，在生長受阻的區(qū)域停止長大，如：不同的馬氏體變體接觸區(qū)域、大的析出相顆粒周圍等。當溫度進一步降低至更低溫度時，更大的驅(qū)動力使馬氏體片克服相變阻力而繼續(xù)長大，導致在大尺寸的析出相周圍產(chǎn)生界面位錯，阻礙了馬氏體逆相變，降低了形狀記憶特性。
　　6）Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金的熱彈性馬氏體相變?nèi)Q于基體（奧氏體或馬氏體）與γ’有序析出相間的界面結(jié)構(gòu)。當γ’有序析出相同時與奧氏體和馬氏體保持共格關(guān)系時，