鎳鈦基形狀記憶合金相變行為的同步輻射和中子原位衍射實驗研究.pdf

1、Ni-Ti基形狀記憶合金是一種獨特的功能材料，對它施以很大變形(8％)后通過加熱（形狀記憶效應(yīng)）或者卸載外力（超彈性）均能使其恢復(fù)到變形前的形狀。這些獨特的性能使其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航空以及商業(yè)領(lǐng)域。形狀記憶效應(yīng)和超彈性的本質(zhì)為馬氏體相變，該相變行為依賴于材料的成分和熱處理歷史。因此，更好地開發(fā)和利用Ni-Ti基形狀記憶合金需要對其相變行為有系統(tǒng)的認(rèn)識。
　　相比Ni-Ti二元合金，Ti-Ni-Nb三元形狀記憶合金擁有更寬的相變溫度

2、遲滯。這對工程應(yīng)用來說很重要，因為寬遲滯意味著利用Ti-Ni-Nb三元合金制成的工程部件不需要在低溫下保存和運輸。另一方面，Ti-Ni-Cu三元形狀記憶合金則擁有較高的相變溫度和較窄的相變溫度遲滯，可以作為很好的驅(qū)動材料。這使Ti-Ni-Cu薄膜在微機械領(lǐng)域(MEMS)備受關(guān)注。
　　原位衍射實驗技術(shù)用于研究相變行為具有獨特的優(yōu)勢。當(dāng)試樣正在進(jìn)行熱力學(xué)測試時，它能實時地反映材料在相變過程中相體積分?jǐn)?shù)、織構(gòu)、相間應(yīng)力等微結(jié)構(gòu)演變的信

3、息。鑒于高能X射線和中子的深穿透能力，基于同步輻射的高能X射線(S-XRD)和中子(ND)的原位衍射技術(shù)可用于研究塊體材料的微結(jié)構(gòu)演變過程。本論文正是結(jié)合以上原位衍射技術(shù)對Ni50.1 Ti49.9塊體、Ti50.1Ni40.8Cu9.1薄膜和Ni47Ti44Nb9塊體三種典型記憶合金的應(yīng)力誘導(dǎo)相變行為予以深入研究，揭示馬氏體變體選擇、應(yīng)力誘導(dǎo)相變行為以及超彈性的微觀物理機制，并為構(gòu)建形狀記憶合金材料的功能行為的物理模型提供直接實驗證據(jù)

4、。
　　本論文結(jié)合兩相Ni50.1 Ti49.9合金宏觀應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的四種階段性變形特征，利用原位中子衍射技術(shù)對其變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了分析。奧氏體初始體積份額約22％，在低應(yīng)變硬化階段，晶面(110)B2和(002) B19'應(yīng)變的相反轉(zhuǎn)變表明出現(xiàn)了應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，奧氏體體積份額迅速減小，產(chǎn)生了<011>Ⅱ型孿晶;同時初始馬氏體也開始發(fā)生再取向，隨著應(yīng)變量的增加，開始出現(xiàn)新的{20-1}型馬氏體孿晶，這種孿晶引

5、起的應(yīng)變卸載不能回復(fù)。在高應(yīng)變硬化階段孿晶變形起主導(dǎo)作用，衍射峰半高寬變化較小;而在應(yīng)變硬化飽和階段則以滑移機制為主，大量位錯的產(chǎn)生使衍射峰半高寬顯著增加。
　　本論文利用同步輻射技術(shù)對未退火以及不同退火溫度處理后的Ti50.1Ni40.8Cu9.1薄膜進(jìn)行了原位拉伸觀察。對于未退火樣品，拉伸的初始階段主要為馬氏體的彈性變形，隨后發(fā)生解孿晶，引發(fā)馬氏體變體再取向。解孿晶過程直接導(dǎo)致拉伸方向形成很強的<020>絲織構(gòu)而垂直拉伸方向形

6、成很強的<002>絲織構(gòu)。對于650℃退火樣品，首先發(fā)生奧氏體相的彈性變形，隨后是應(yīng)力誘導(dǎo)的馬氏體相變。
　　本論文利用高能X射線原位研究了Ni47Ti44Nb9塊材在溫度場和應(yīng)力場耦合條件下的微結(jié)構(gòu)演化過程。與溫度無關(guān)、發(fā)生在Ni47Ti44Nb9塊材中的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變所生成的馬氏體變體以晶面(001)垂直于拉伸方向((hkl)⊥LD）的變體類型為主。然而，低溫下的拉伸變形過程比室溫更為復(fù)雜。實驗發(fā)現(xiàn)室溫下拉伸只出現(xiàn)了<01