Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金组织和性能的研究

论文摘要

本文在分析了国内外对Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金研究成果的基础上，立足于从提高合金形状记忆效应、回复应力、降低合金的低温松弛性能，以及进一步改善合金的耐腐蚀性能出发，研究了淬火保温时间、深冷+回火处理、预变形温度、合金化、、时效方式等对合金组织和性能的影响；对合金的低温松弛性能和耐腐蚀性能及其影响因素做了较为详细的研究，得到了以下一些有一定创新性的结果。在合金中同时加入C和Nb，固溶态时，由于其固溶强化作用，有助于提高合金的形状记忆效应和回复应力；时效态时，由于析出细小的NbC颗粒，大大强化了基体，析出NbC颗粒对1／2<110>全位错的阻力要大于<112>／6 Shockley不全位错，从而显著提高合金的形状记忆效应和回复应力。在合金中加入适量的N（0.1％），有利于提高合金的形状记忆效应和回复应力，特别是合金的回复应力，比不含N的合金回复应力提高26％左右。本文发现淬火保温时间对合金形状记忆效应的有较大的影响。对于Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金丝材，在最佳淬火温度为973K时，通过适当调整淬火保温时间可以得到最好的形状记忆效应，淬火保温时间为10min时，形状恢复率最高，η为78％。深冷+回火处理由于有效地调整了合金内部的组态，其形状记忆效应比水冷+回火提高15％。对于不同的合金，变形温度对形状恢复率的影响规律不同。这主要是因为合金本身应力诱发ε马氏体的能力不同造成和热马氏体交叉穿越的程度不同引起的。本文首次研究了形变时效对合金性能的影响。发现改变时效方式能够显著提高合金的形状记忆效应和回复应力。形变时效提高合金形状记忆效应和回复应力的原因主要是，变形后时效的合金在晶粒内部形成了大量细小、分布均匀的、有方向性的碳化物，晶界上较少，大大提高了基体强度，抑制了不可逆塑性变形的发生；而未变形直接时效的合金则与此相反；同时，形变时效大大降低了合金应力诱发ε马氏体的临界应力，有利于应力诱发ε马氏体的生成。试验结果表明，形变时效的合金形状恢复率比直接时效的合金高45～135％左右，比最佳淬火温度的形状恢复率高5％～24％左右。变形后时效的最大σh比直接时效的最大σh高72％左右。变形后时效的最大σr比直接时效的最大σr高34％。合金低温松弛性能和预变形量有关，在本试验范围内，随着预变形量的增加，低温松弛率提高，当预变形量为5.5％、7.0％时，应力松弛最为严重，变形量再增大，低温应力松弛率呈下降趋势；本文首次研究了不同含碳量合金对低温松弛的影响，发现析出一定量的碳化物有利于降低合金的低温松弛率，在本研究成分条件下，高碳量（0.16％C）的合金的低温回复应力高于低碳（＜0.02％C）合金的低温回复应力，而高碳合金的低温应力松弛率则低于低碳合金，这是因为，高碳合金能够析出较多的阻碍马氏体的形成和长大的碳化物和具有低的Ms点，这两方面的作用要大于应力诱发ε马氏体的驱动力增加；形变时效在提高合金形状记忆和回复应力的同时，虽然提高低温应力松弛率，但影响不大，在低温下用于管接头连接是适合的。提出了降低合金低温松弛的途径。通过控制预变形量的大小来控制回复应力的大小，调整应力诱发ε马氏体的驱动力，来实现降低应力松弛；通过加入碳或强碳化物元素（Ti、Nb、V）以形成碳化物来阻碍ε马氏体的形成；从热诱发ε马氏体角度出发，在保证合金有好的形状记忆效应前提以及实际应用方便的情况下，可以尽量降低合金的Ms点。本文首次研究了形变时效对合金耐腐蚀性能的影响，发现形变时效的合金的耐蚀性能略低于18—8不锈钢，特别是在碱液中的耐蚀性能和18—8不锈钢非常相近，可见，形变时效在提高合金形状记忆效应和回复应力的同时，其耐蚀性能仍然较好，对于管接头及其它连接件的实际应用是可行的。在合金中加入N，以及C和Nb复合加入均有利于提高合金的耐腐蚀性能。含N的合金，由于析出的是以NbC为主的颗粒，在其周围含Cr量较均衡，不会导致严重的贫Cr，晶间腐蚀不严重；含N合金在碱液中的耐蚀性较好，主要因为，N对金属钝化膜的强化和稳定作用，提高了基体的电极电位，降低腐蚀电流。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 Fe-Mn-Si系形状记忆合金中γ→ε马氏体相变机制
• 1.1.1 Fe-Mn-Si系形状记忆合金中γ→ε晶体学特征
• 1.1.2 马氏体的形核及长大机制
• 1.2 Fe-Mn-Si系形状记忆合金的形状记忆机制
• 1.3 影响Fe-Mn-Si系合金形状记忆效应的因素
• 1.3.1 层错能
• 1.3.2 Neel转变和Ms
• 1.3.3 热诱发ε马氏体和预变形温度
• 1.3.4 预变形量
• 1.3.5 试样的位向和织构
• 1.3.6 热循环
• 1.3.7 ε→α′和γ→α′对形状记忆效应的影响
• 1.4 提高Fe-Mn-Si系合金形状记忆效应的途径
• 1.4.1 合金化处理
• 1.4.2 强化母相
• 1.4.2.1 奥氏体形变强化
• 1.4.2.2 细晶强化
• 1.4.2.3 固溶强化
• 1.4.2.4 析出强化
• 1.4.3 热机械循环训练
• 1.4.4 热处理
• 1.5 Fe-Mn-Si系形状记忆合金的应用及其发展前景
• 1.6 本文研究的目的、意义和技术路线
• 1.7 本文研究的内容
• 2 材料制备和试验方法
• 2.1 试验合金的制备
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试样的"定形处理"
• 2.2.2 合金屈服强度的测定
• 2.2.3 形状记忆效应的测试方法
• 2.2.4 合金回复应力的测试方法
• 2.2.5 合金低温松弛性能的测试方法
• 2.2.6 合金相交温度的测试方法
• 2.2.7 合金耐腐蚀性能的评价方法
• 2.2.8 合金的组织和结构分析
• 2.2.9 合金相组成的定量分析方法
• 3 微合金化对Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金组织和性能的影响
• 3.1 C和Nb复合加入对合金组织和性能的影响
• 3.1.1 C和Nb复合加入对合金形状记忆效应的影响
• 3.1.2 C和Nb复合加入对合金回复应力的影响
• 3.1.3 C和Nb复合加入对合金组织和性能影响
• 3.2 微N合金化对合金组织和性能的影响
• 3.2.1 微N合金化对合金形状记忆效应的影响
• 3.2.2 微N合金化对合金室温回复应力的影响
• 3.2.3 微N合金化对合金组织的影响
• 3.3 小结
• 4 热处理及变形温度对Fe—Mn—Si—Cr—Ni系形状记忆合金组织和性能的影响
• 4.1 淬火保温时间对合金SME的影响
• 4.2 深冷+回火对合金SME的影响
• 4.2.1 深冷温度对合金SME的影响
• 4.2.2 深冷后的回火温度对合金SME的影响
• 4.2.3 深冷+回火对合金显微组织的影响
• 4.3 变形温度对合金SME的影响
• 4.4 小结
• 5 时效方式对Fe—Mn—Si—Cr—Ni系形状记忆合金组织和性能的影响
• 5.1 形变时效对合金形状记忆效应的影响
• 5.2 不同时效方式对合金性能的影响
• 5.2.1 不同时效方式及最佳淬火温度对合金形状恢复率的影响
• 5.2.2 不同时效方式对合金回复应力的影响
• 5.3 形变时效循环对合金形状记忆效应的影响
• 5.4 实验结果分析
• 5.4.1 形变时效强化机理
• 5.4.2 晶体缺陷（位错）对第二相成核的影响
• 5.4.3 合金拉伸变形时效后的组织分析
• 5.4.4 时效方式对合金组织的影响
• 5.4.5 形变时效对应力诱发ε马氏体临界应力的影响
• 5.4.6 不同时效方式对合金应力诱发ε马氏体的影响
• 5.5 小结
• 6 Fe—Mn—Si—Cr—Ni系形状记忆合金低温松弛性能的研究
• 6.1 试样在降温过程中的马氏体相变
• 6.2 预变形量对低温松弛的影响
• 6.2.1 预变形量对低温回复应力和低温应力松弛率的影响
• 6.3 碳含量对低温松弛的影响
• 6.3.1 碳含量对低温回复应力和低温应力松弛率的影响
• 6.4 时效方式对低温松弛性能的影响
• 6.5 降低低温应力松弛的途径
• 6.6 小结
• 7 Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金耐腐蚀性能的研究
• 7.1 电化学腐蚀原理
• 7.2 形变时效对合金耐腐蚀性能的影响
• 7.3 NbC颗粒对合金耐腐蚀性能的影响
• 7.4 N对合金耐腐蚀性能的影响
• 7.5 小结
• 8 本文的主要结论
• 参考文献
• 博士期间发表的学术论文
• 致谢