不同应变率下铜基单晶记忆合金超弹性微结构多尺度特征的观测与分析

论文摘要

形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）具有独特的形状记忆效应（ShapeMemory Effect, SME）和超弹性（Supperelasticity, SE）。这些诱人的特性使它作为一种重要的智能材料在过去的三十年内受到人们的巨大关注。近年来,随着医药科学的进步和微加工技术的成熟,人们成功开发出基于形状记忆合金所制备的新型医疗器械和微机械器件,使其得以被更为广泛的应用和关注。研究表明,超弹性的特性源于材料内部发生了应力诱发马氏体相变,其独特的力学行为与微结构的演化存在着紧密的联系,而加载速率的变化更是对材料的超弹性有显著的影响。为了充分发挥材料性能,并对以形状记忆合金为材料制成的新型器件进行优化设计,十分需要深入地研究并掌握形状记忆合金在相变过程中的微结构形貌与宏观力学行为之间的关系。Cu基形状记忆合金,是现今研究和应用最为广泛的形状记忆合金系列之一。本文从实验观测的角度出发,以CuAINi单晶形状记忆合金为对象,在准静态及多种应变速率条件下进行一系列的单轴拉伸实验,同步获得了应力诱发马氏体相变过程中的应力应变关系、微结构形貌变化、试样表面的温度分布。准静态加卸载时,获得了微观尺度上的全试样微结构形貌,并利用图像处理技术和均匀化的方法,实现了定量化分析,由此找到加卸载过程中的微结构演化规律。加载时,马氏体条带的演化过程可分为三个阶段：伴随着应力急剧下降以马氏体条带形成为主的初始形成阶段,应力相对比较平稳以马氏体条带形成与长大共存的形成与长大阶段,和最后以长大的马氏体条带相互融合为主的长大至融合阶段。卸载时,首先在马氏体区域的两端出现大量细密的奥氏体条带,且随着马氏体逆相变的进行,条带相互融合直至完全变成奥氏体,而马氏体区域也在逐步缩小直至消失。非准静态加卸载时,通过分析不同应变率下的应力应变、宏观尺度上的全试样形貌及温度分布三者之间的对应关系,找出了应变率对应力诱发马氏体相变过程中的影响规律。结果显示,加载时试样表面的温度升高,卸载时试样表面的温度下降。随着应变速率的增加,加载时试样的最高温度逐渐上升并趋于饱和,卸载时试样的最低温度先下降后上升直至到达稳定值。由于温度的影响,随着应变率的增加,加载时相变应力逐步增加直至饱和,卸载时逆相变应力逐步下降并趋于稳定值,而滞后环的面积出现先增加后减小的非单调过程。此外,存在临界应变速率使得最大马氏体数目出现从有限条带的增长突变为急剧增长。通过分析不同试样尺寸及不同合金在多应变速率下实验结果差异,由此探讨了热-力耦合作用下,相变潜热、热弛豫时间以及临界应变速率对相变特征的影响。通过本文的实验结果,实现了对已有的形状记忆合金相变模型的参数进行了估计,并为进一步的理解应力诱发马氏体相变,建立更为合理的多尺度的热-力耦合模型提供良好的实验依据。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1. 形状记忆合金及其应用
• 1.2. 宏观力学行为与马氏体相变的关系
• 1.3. 马氏体相变热力学
• 1.4. CuAlNi合金单晶体与多晶体的变形行为
• 1.5. 马氏体相变微结构的多尺度特性
• 1.6. 国内外研究现状
• 1.6.1. 基于连续介质力学的理论研究
• 1.6.2. 对相变微结构的实验研究进展
• 1.7. 微结构演化规律研究中所面临的挑战与解决办法
• 1.7.1. 全试样微结构形貌多尺度特征的图像获取
• 1.7.2. 全试样微结构形貌多尺度特征的定量分析
• 1.7.3. 高应变率下全试样微结构、应力应变与温度的同步测量
• 1.8. 本文的主要工作
• 第二章 CuAlNi单晶的试样制备与材料性质
• 2.1. 实验材料与试样制备
• 2.1.1. 原始材料与试样
• 2.1.2. 抛光工艺
• 2.1.3. 热处理工艺
• 2.2. 材料的相变点以及相变应力--温度关系式
• 2.3. 单晶体的判定与取向测定
• 2.4. CuAlNi合金中的24个马氏体的计算
• 2.5. 应力诱发马氏体变体的取向
• 2.6. 小结
• 第三章 多速率多尺度下的微结构观测与定量化分析方法
• 3.1. 不同尺度下的全试样微结构形貌
• 3.2. 准静态单轴加载下的微观尺度微结构及其定量化方法
• 3.2.1. 实验平台:记忆合金微结构在线测量分析系统
• 3.2.2. 微观尺度下的微结构特征及图像处理
• 3.3. 非准静态单轴加载下的宏观尺度微结构及其定量化方法
• 3.3.1. 实验平台
• 3.3.2. 应力应变、形貌及温度的对应
• 3.3.3. 形貌及温度分布的定量描述
• 3.4. 微结构分布的多尺度特性及其局部均匀化方法
• 3.5. 小结
• 第四章 准静态加卸载中马氏体微结构的演化规律
• 4.1. 宏观应力突变与马氏体的形成及消失的对应关系
• 4.2. 加/卸载过程中的全域相分量与界面数
• 4.3. 加/卸载过程中的局部密度函数分布
• 4.4. 相变的三个阶段的划分界限
• 4.5. 对界面能系数的估计
• 4.6. 小结
• 第五章 应变速率对应力诱发马氏体相变的影响
• 5.1. 实验结果
• 5.1.1. A类试样,有效段长30mm
• 5.1.2. B类试样,有效段长15mm
• 5.1.3. 两类试样在不同应变率下的对比
• 5.2. 应变速率对应力应变曲线的影响
• 5.3. 应变速率对试样表面形貌的影响
• 5.4. 热弛豫时间与相变时间
• 5.5. 应力诱发马氏体相变特征的影响因素
• 5.6. 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1. 主要研究成果
• 6.2. 问题与展望
• 参考文献
• 博士期间发表论文
• 致谢