TiNiCuCr记忆合金的相变行为及性能表征

论文摘要

本文研究了四元Ti49.6Ni45.4-xCu5Crx（x=0、0.3、0.5）合金的显微组织、相变行为、力学性能及电化学腐蚀行为。采用光学金相显微镜、DSC、XRD等测试手段分析研究了合金的微观组织及相组成;利用电子拉伸试验机（万能材料试验机）,通过循环加载—卸载试验方法研究了不同冷加工—退火工艺处理后合金的力学性能和超弹性稳定性的变化;采用弯曲法考察了合金的形状记忆效应;通过电化学测试方法以及XPS分析技术研究了合金在模拟唾液环境下的电化学腐蚀行为以及表面钝化膜的成分;此外,利用浸泡法和ICP-OES分析技术考察了合金在模拟体液环境下Ni离子的溶出行为。结果表明,合金的显微组织均匀,XRD分析结果表明合金在室温下有Ti2Ni和Ti2Cu存在。合金相变温度随Cr含量增加而降低,但只发生B2-B19’单步马氏体相变。冷轧—退火处理的合金相变温度随退火温度的升高呈现升高—降低—稳定的趋势。在较大温度范围退火处理并没有引起R相变发生。对应力循环后的试样进行相变温度测试,发现一次应力循环使合金发生马氏体稳定化效应,表现为逆马氏体相变温度的升高,在加热过程中出现两个逆转变峰,分别对应原热弹性马氏体逆转变和稳定化马氏体的逆转变。多次循环使不同热处理试样相变温度发生不同变化,同时相变潜热随循环次数增加而减小。力学测试结果显示,固溶态合金的屈服强度和抗拉强度随Cr含量的增加分别呈现升高和降低的趋势。应力诱发马氏体临界应力呈现随退火温度先降低后升高的趋势。退火温度对合金超弹性稳定性有显著影响:350℃退火使内部冷轧位错少量重新分布,位错强化作用依然很高,因此抗循环退化性能较好;中温500℃退火试样应力平台较稳定,循环30次后依然出现吕德斯形变;650℃退火使合金发生完全再结晶,抗循环变形能力较差,残余应变积累较快,形变过程由吕德斯变形迅速转变为均匀变形。循环形状记忆训练使Ti49.6Ni45.1Cu5Cr0.3合金残余应变逐渐增加,但同时双程记忆效应可逆恢复率也随之增加。退火温度对残余应变和双程可逆恢复率影响较大。循环20次后,残余应变εp达到10%,双程可逆恢复率εtw在3%以上。Ti49.6Ni45.1Cu5Cr0.3合金与Ni51.3Ti48.7合金在模拟唾液中的电化学腐蚀性能比较接近。溶液pH值对腐蚀电位Ecorr和破裂电位Eb都有影响。合金在三种pH（pH=2.4、5.3、6.2）模拟溶液中阻抗较大,具有良好的抗腐蚀能力。三种条件下测得的电化学阻抗值分别为:0.28 MΩ·cm2、0.31 MΩ·cm2和0.29MΩ·cm2。Ti49.6Ni45.1Cu5Cr0.3合金的Ni离子溶出行为表现出具有和Ni51.3Ti48.7合金相似的时间效应,即Ni离子溶出速度随时间延长逐渐减小。XPS分析表明,合金最外层钝化膜主要由TiO2和少量的Ni的氧化物组成。在Ar离子剥蚀后,测试面Ni:Ti原子比由0.27升高到2.57,说明在TiO2膜与合金基体之间存在富Ni层。XPS结果表明,Cu和Cr不参与最外层氧化膜的形成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 NiTi合金的发展历史
• 1.2 NiTi形状记忆合金的特性
• 1.2.1 NiTi合金的晶体结构与马氏体相变
• 1.2.2 NiTi合金的力学性能
• 1.2.3 热机械处理对超弹性的影响
• 1.2.4 形变对合金相变及超弹性的影响
• 1.3 TiNiCu基合金的研究现状
• 1.4 NiTi形状记忆合金的应用
• 1.5 本文的研究目的及意义
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 材料的制备与试验方法
• 2.1 合金的熔炼
• 2.2 合金的轧制
• 2.3 合金的退火工艺
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 相变特性测试
• 2.4.2 力学性能测试
• 2.4.3 抗腐蚀性能测试
• 第3章 TiNiCuCr合金的显微组织与相变行为
• 3.1 合金成分分析
• 3.2 合金的微观组织及结构
• 3.3 合金的相变行为
• 3.3.1 固溶态合金的相变行为
• 3.3.2 退火处理对合金的相变行为的影响
• 3.3.3 应力循环对合金的相变行为的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 TiNiCuCr合金的力学性能与记忆效应
• 4.1 常规力学性能
• 4.2 合金的超弹性
• 4.2.1 退火处理后合金在体温条件下的超弹性能
• 4.2.2 应力循环条件下的超弹性稳定性
• 4.3 合金的形状记忆效应
• 4.4 本章小结
• 第5章 TiNiCuCr合金的腐蚀性能与离子溶出行为
• 5.1 开路电位曲线
• 5.2 动电位极化曲线
• 5.3 恒电位极化曲线
• 5.4 电化学阻抗谱
• 5.5 人工模拟体液环境中的离子溶出行为
• 5.6 XPS表面腐蚀产物成分分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢