镍基合金

铁对镍台金的耐蚀性无显著影响。硅在 高腐蚀电位下是有益的，通过形成保护 性的(富Si)氧化层。有利于维持富铬的 表面钝化膜的稳定存在。不过，对于大 多数加工镍台金。Si含量必须保持低的 水平(即使D-205的Ni-Cr-Si合金中，最 多为5％Si)，因为Si强烈促进第二相的 生成；但在铸造镍合金中，添加少量Si 对于保证浇注时的流动性还是必要的。 在镍基耐蚀台金中，碳分必须尽可能地 低。与镍基高温合金不同，现在镍基耐 蚀合金的碳含量一般均控制在0.02%～ 0.03%以下，少数合金甚至 Wc≤O.005%。
高于
max
，由于加工 硬化造成
表明应力诱导马 氏体相变应力 SIM =260MPa
应力诱发 马氏体相 变临界应 力、滞后 环宽度、 单个滞后 环可恢复 摩擦能量 减小
疲劳试验
结果：疲劳加载早
期阶段产生不可恢
复的非线性应变 分析：内部位错位
向的调整和移动
较大塑性应变
疲劳试验分析
SIM 260MPa
口腔温度变化敏感性
• 不锈钢丝和CoCr合金牙齿矫形丝的矫治力基本不受口腔内温度 的影响。超弹性镍钛合金牙齿矫形丝的矫治力随口腔温度的变化而 变化。当变形量一定时。温度升高，矫治力增加。一方面，它可以 加速牙齿的运动，这是因为口腔内的温度变化会刺激由于矫治器件 造成造成毛细滞息的血流停滞部位的血液流动，从而使得在牙齿移 动过程中修复细胞得到充分营养，维持其生机和正常功能。另一方 面，正畸医生无法精确控制或测量口腔环境下的矫治力。
合金在1000℃高温氧化的动力学曲线如图2.1中d曲线所 示，由图2.1可以看出，氧化初期，合金的氧化增重速率 较大，合金经1000℃氧化14h后，其合金的氧化增重为 1.6152mg/cm2，其氧化增重速率约为 0.1154mg/(cm2· h)，随氧化时间延长，合金的氧化速率 逐渐降低，合金氧化54h的增重速率为2.201mg/cm2， 54h内合金的氧化增重速率约为0.0408mg/(cm2· h)，而 合金氧化100h后的单位平方厘米增重达2.68mg，其平 均氧化速率为0.0268mg/(cm2· h)。与850℃、900℃和 950℃°时的高温氧化动力学曲线相比，合金在1000℃ 氧化期间，氧化速率明显提高。合金在850℃~1000℃恒 温氧化期间，合金表面氧化物膜仅在950℃和1000℃高 温氧化100h后，合金表面发生局部氧化物膜的剥落现象。
镍在干、湿大气中非常耐蚀， 在非氧化性的稀酸(如<15% 盐酸、<70%硫酸)和许多有 机酸中，室温时相当稳定。 镍在碱类溶掖(无论高温利熔 融状态的碱)中都完全稳定。 这 是镍的突出特性，如镍在75 ％Na0H中的腐蚀率为0.076 mm/a，仅为钢的1/100， 因此镍是制造熔碱容器的优 良材料之一。
Cr在Ni在中的溶解度 Al是镍基合金中相的主要形 在显微组织正常的镍基 较高，且随着温度的 成元素，通过γ’相在合金中 高温合金中，主要是γ 升高溶解度增大。在 的弥散分布，从而强化镍基 相和γ’相，还有几种相 镍基高温合金中的作 合金。而γ’相也可以溶入更 是在合金的服役过程中 用主要是提高合金的 多的合金元素，如Ta、Cr、 析出的。γ相是通常含 抗氧化和抗腐烛能力， Mo、W等，从而强化和稳 有较大数量固溶元素 在高温环境中，可在 定γ’相。在高温环境条件下，(如Co、Cr、Mo和W) 合金表面形成氧化膜， Al可在镍基合金表面形成氧 的连续分布的面心立方 氧化膜可以阻碍合金 化膜，提高合金的抗氧化和 结构的镍基奥氏体相。 进一步被氧化和被腐 抗腐烛性能。 蚀。
6
柔和的矫治力
7
良好的减震性
形状记忆特性
• 形状记忆是当一定形状的母相由Af温度以上冷却到Mf温度以下形 成马氏体后，将马氏体在Mf以下温度形变，经加热至Af温度以下， 伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状。实际上形状记忆 效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。
超弹性
• 超弹性是指试样在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应 变，在卸载时应变可自动恢复的现象。即在母相状态下，由于外加 应力的作用，导致应力诱发马氏体相变发生，从而合金表现出不同 于普通材料的力学行为，它的弹性极限远远大于普通材料，并且不 再遵守虎克定律。和形状记忆特性相比，超弹性没有热参与。总而 言之，超弹性是指在一定形变范围内应力不随应变的增大而增大， 可将超弹性分为线性超弹性和非线性超弹性两类。前者的应力-应变 曲线中应力与应变接近线性关系。非线性超弹性是指在Af以上一定 温度区间内加载和卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆 相变的结果，因此非线性超弹性也称相变伪弹性。镍钛合金的相变 伪弹性可达8%左右。 镍钛合金的超弹性可随着热处理的条件的变 化而改变，当弓丝被加热到400&ordm;C以上时，超弹性开始下降。
2.退火处理对镍基形状记忆合金的影响
w(Ni)＜50.5%的TiNi 合金在热处理过程中， 无强化相Ti3Ni4析出，因此通常对加工变形的 TiNi 合金进行退火处理以获得良好的力学性能 和记忆性能。
以Ti49.8Ni50.2合金 为例，其经48%冷拉 拔变形后，冷却至液 氮温度和加热过程中 无相变发生， 退火温 度低于550℃， 冷却 过程发生A→R→M 两阶段相变，退火温 度达到600℃，R 相 变消失。
结果：当应力幅度 小于 时，疲劳 滞后环宽度很窄， 接近线性加载和卸 载。当当应力幅度 大于 时，疲劳
225MPa
滞后环宽度变宽且
应变轴向又移动 塑性应变积累的结 果 不同应力幅值 下稳态应力应变滞后环
疲劳试验分析
SIM （257）小于 （260） 时，无塑性应 变的积累，最后阶段有 部分塑性应变的积累是 由于裂纹的萌生和扩展 造成的
镍基耐蚀合金都是奥氏体 型的。单相组织保证了良 好的电化学性能。既为了 使提高耐蚀性的主要合金 元素完全溶入奥氏体之中， 也为了避免不希望的第二 相残留，镲基耐蚀台金广 泛采用固溶(淬火)处理， 阱得到均一的单相面心立 方组织。
4.镍基形状记忆合金抗高温氧化性
研究表明，镍基合金的抗氧化性能，与合 金的成分密切相关，镍基合金的高温氧化 性能随成分的不同而千差万别。对一种Cr 元素含量为12.59%的镍基合金在850℃、 900℃、950℃和1000℃高温氧化行为的研 究表明，氧化100h后合金表面生成了以和 Cr2O3和Al2O3为主的氧化物膜，且合金内 部仅生成了Al2O3内氧化物，及AlN内氮化 物，氧化期间氧化机制由合金表面的氧化 机制转变为在Cr3+氧化物膜中的扩散机制， 且随氧化温度升高转变时间缩短。
5.Ni-Ti形状记忆合金疲劳性能
形状记忆合金两大特性 形状记忆合金中马氏体
1
形状记忆特性
1
热弹性马氏体
2
超弹性
2
应力诱导马氏 体
形状记忆合金在不同温度下的行为
疲劳实验：拉拉疲劳循环 应力比r= =0.1 频率：f=5Hz（低频疲劳）
疲劳试验
这一阶段由于发生相 变而导致较大的非弹 性应变，需要10-20 圈的循环来是闭环伺 服系统来稳定
抗腐蚀性
• 镍钛合金Leabharlann Baidu的抗腐蚀性能极高，与不锈钢不相上下。
抗毒性
• 镍钛形状记忆合金特殊的化学组成,即这是一种镍钛等原子合金, 含约50%的镍,而已知镍有致癌和促癌作用。一般情况情况下，表面 层钛氧化充当了一种屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表 面层的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的释放
退火温度升高， Ti-Ni合金马氏 体相变温度升 高，显微硬度 下降，二者较 好地满足线性 数学关系。
退火温度升高，Ti-Ni合金相变热焓增加，当退火温度升高 至合金再结晶完成温度后，退火温度对相变热焓影响不大。
3.镍基形状记忆合金的耐腐蚀性
简单分类：
镍基耐蚀合金具有良好 的耐腐蚀性能，在各种 腐蚀环境中，包括电化 学腐蚀和化学腐蚀，耐 各种形式的腐蚀破坏， 包括全面腐蚀、局部腐 蚀和应力腐蚀。我们常 见的耐蚀合金有Ni-Cu系、 Ni-Cr系、Ni-Mo系、FeNi系等。
可以看出，经不同温度高温氧化100h后， 合金的氧化动力学曲线的特征基本相同， 在氧化初期，合金氧化增重较快，随着氧 化时间的延长，合金氧化增重的幅度相对 减小，且随氧化时间的不断延长这种趋势 趋于更加明显。镍基合金经850°C高温氧 化100h后的动力学曲线，如图2.1中曲线a所 示，合金氧化14h后，合金的氧化增重为 0.841mg/cm2，合金氧化100h后，其氧化增 重为1.2996mg/cm2，可以计算得出合金在850℃高温氧化100h的平均氧化速率 为0.012996mg/(cm2· h)。900°C时合金高温氧化100h后的动力学曲线，如图 2.1中b曲线所示，可以看出，合金氧化14h后的氧化增重为0.9556mg/cm2，合 金氧化后100h，其氧化增重为1.43mg/cm2，可以计算得出合金在900℃高温氧 化的平均氧化速率为0.0143mg/(cm2· h)。合金在950℃高温氧化100h后的动力 学曲线，如图2.1中曲线c所示，合金氧化14h后，合金的氧化增重为 1.3264mg/cm2，合金氧化100h后，其氧化增重为2.38mg/cm2, 可以计算得出合 金在900℃高温氧化100h平均氧化速率为0.0238mg/(cm2· h)在850℃~950℃恒温 氧化期间，合金表面氧化物膜无明显剥落。
对经950℃和1000℃高温氧化合金表面氧化物膜不同区域，进行SEM/EDAX成分分析， 结果如图2.3所示。表面，氧化30h后，合金表面的氧化物膜主要含有元素Ni、Al、Cr、 Ti、Co和W，但在相同温度时元素在合金表面分布的情况也明显不同。950℃合金表面 氧化物膜A区域主要富含14.74%的元素Ti，22.93%的元素Cr和27.87%的元素Ni。B区 域主要富含14.18%的元素Ti，7.43%的元素Cr，32.72%的元素Ti和7.43%的元素Ni。 1000℃合金表面氧化物膜C区域主要富含3.03%的元素Ti，10.11%的元素Cr和49.82% 的元素Ni，D区域主要富含3.69%的元素Ti，9.50%的元素Cr,21.68%的元素Al和 25.32%的元素Ni。

p
随着应力幅值增加，非 弹性应变一直积累直至 疲劳失效，应力越大应 变积累速率越大，这是 由于疲劳循环过程中产 生位错，并导致应力诱 导马氏体SIM的稳定， 最终导致在材料中产生 残余应变的积聚
不同应力幅值 条件下积累的塑性应变 p -N（循环次数）曲线
疲劳试验分析
300MPa以下，高周疲劳，均符合 幂准则函数分布
柔和的矫治力 • 通过对其矫正金属丝进行拉伸试验以及三点弯曲试验， 将其所得到的载荷-位移曲线与其它矫正金属丝进行比较， 我们发现它的卸载曲线平台最低也最平，说明其最能提供 持久柔和的矫正力。
减震性
• 由于咀嚼及夜磨牙对于弓丝造成的震动越大，对牙根及牙周组织 的损害越大。通过不同弓丝衰减实验的结果研究发现，不锈钢丝震 动的振幅比超弹性镍钛丝大，超弹性镍钛弓丝初始震动振幅仅为不 锈钢丝的一半,弓丝良好的震动和减震特性对于牙齿的健康很重要， 而传统弓丝如不锈钢丝，有加重牙根吸收的倾向。
可以看出，不同温度氧化30h后，合金表面的氧化物膜的 形貌略有不同，850℃合金表面仅生成少量颗粒状氧化物， 随氧化温度的升高，合金表面氧化物颗粒的尺寸不断增 大，同时氧化物在合金表面覆盖的区域也进一步增多。 同时，观察到合金在不同温度高温氧化30h期间，其表面 氧化物膜呈现，先生成氧化物颗粒，再次氧化物颗粒长 大，然后氧化物在合金表面连续生长的氧化物膜的形成 特征。
镍基合金
专业：材料科学与工程 金属方向 指导老师：
镍基合金
镍基合金是指以镍为基(Ni含量>50%)并含有其 他一些元素，且650℃~1000℃高温下有较高的 强度和一定的抗氧化、抗腐蚀能力等综合性能 的一类合金。
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形状记忆特性
超弹性 口腔内温度变化敏感性 抗腐蚀性能 抗毒性
1.镍基合金性能综述