Ti-Zr 基合金马氏体相变及记忆效应研究

admin · 发表于 2024-2-20 09:03:42

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形状记忆合金作为一种重要的智能材料，已经在生物医学、机械电子和航空航天等领域得到了应用。当前，使用Nb、Mo、Ta 等生物安全元素制备新型Ti 基无Ni 记忆合金已经成为国内外的研究热点，并且主要集中在Ti-Nb和Ti-Mo基合金的研究上。本文采用金相显微镜、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、示差扫描量热分析（DSC）和力学性能试验系统研究了新型 Ti-Zr、Ti-Zr-Fe 和Ti-Zr-Nb合金微观组织结构、相变行为、力学性能和形状记忆效应，以及热-机械处理方法的影响。取得的主要研究结果如下： TixZr100-x（x=20、30、50、70、80）合金室温下为单一的 hcp 结构α′马氏体相，其相变温度受到合金成分的调控，在等原子比时达到最低值为520°C。Ti-Zr 合金记忆效应来自于低温α′马氏体相到高温β-母相（bcc 结构）之间的逆马氏体相变。在TEM 明场相下观察，与Ti50Zr50合金相比，Ti70Zr30 合金的马氏体变体之间的边界更加平直，这种微观结构有利于Ti70Zr30合金马氏体相至母相的逆相变，并且Ti70Zr30合金的屈服应力低于Ti50Zr50 合金，使得Ti70Zr30 合金记忆效应高于 Ti50Zr50 合金，达到 1.7%，是二元 Ti-Zr合金最大记忆效应。Ti70Zr30 合金经冷轧变形后有少量ω相析出，在 700 ℃退火处理后发生再结晶，其室温拉伸屈服强度为550 MPa，断裂塑性应变为7.5%，形状记忆效应达到1.4%。轧制变形后随着退火温度的提高，晶粒尺寸增大，导致拉伸断裂应变下降。随 Fe 含量的增加，Ti50Zr50-xFex（x=0~2）合金发生 hcp-α′相至正交-α′′相再到β相的转变，α′和α′′相均为孪晶马氏体；由于原子尺寸效应的影响，合金的马氏体相变温度随 Fe 含量的增加而下降，可以在 445~520°C 范围内调整；Ti-Zr-Fe 合金记忆效应与两相（母相和马氏体相）晶胞体积差成正比，随着合金从hcp-α′相转变为正交-α′′相，其临界应力逐渐降低，记忆效应逐渐增大，成分为Ti50Zr48.8Fe1.2 的合金具有最大记忆效应为 1.88%。Ti69Zr30Fe1 合金室温下为单一的正交结构α′′马氏体，马氏体相变温度 Ms 为584°C，其临界应力大约在600MPa 左右，最大压缩记忆效应为2.1%；经过600°C时效处理后，马氏体相变温度变化不大，但合金中析出大量ω相，由于ω相的弥散强化作用，其临界应力上升至900MPa，导致记忆效应下降至1.1%。随Nb 含量的增加，发生hcp-α′相至正交-α′′相再到β相的转变，α′和α′′相均为孪晶马氏体；合金的马氏体相变温度随Nb 含量的增加而下降，可以在330~480°C范围内调整；在Ti50Zr50-xNbx合金中Ti50Zr42Nb8 合金的屈服应力最低，从而具有最大的记忆效应，为2.89%。Ti70Zr20Nb10 合金轧制后晶粒组织尺寸随着退火温度的升高而增大，导致合金室温拉伸断裂塑性下降，在 600°C 退火处理后得到最细晶粒；退火态的 Ti70Zr20Nb10 合金以α′′马氏体相为主体相，并存在有少量ω相，合金室温抗拉强度为 542MPa，拉伸塑性为13.1%，合金的最大记忆效应为2.5%。

Ti-Zr 基合金马氏体相变及记忆效应研究

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