振动时效对NiTi记忆合金双程记忆应变的影响

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Prestrain(%)
图 3 振动样品与未振动样品的双程应变回复量与预应变关系曲线
图 3 是 NiTi 合金的双程记忆应变与预应变的关系曲线，从图中可以看出，NiTi 合金的 双程记忆应变随着预应变的增加先增大后减小。在预应变 10.25%时，双程记忆应变回复量 最大为 3.0%。预应变低于或高于 10.25%时，双程记忆应变回复量均低于 3.0%。Liu 等人[14] 研究了马氏体态 NiTi 合金的双程形状记忆应变与预应变的关系，他们发现，当预变形为 13.3%左右时，NiTi 合金的双程记忆应变量最大为 4.1%，而当预变形高于或低于 13.3%时， 双程记忆应变量均低于 4.1%。虽然他们的最大双程应变量比本研究中的大，但双程记忆应 变随预应变变化的趋势是一致的。这说明，在预变形的过程中，存在一个最佳的预应变值， 在这一预应变下形状记忆合金经过热循环后产生的双程回复应变量最大，低于或高于这一预 应变，双程记忆应变均不能达到最大值。由于 Liu 等人 [14] 实验中所用的材料和热处理条件 与本文均有所差别，这可能是导致最佳预应变值不同和最大双程记忆应变量不一致的一个原 因。
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参考文献
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1． 引 言
NiTi 形状记忆合金由于具有良好的形状记忆效应、超弹性、耐蚀性与生物相容性而得 到广泛应用。NiTi 合金通过热机械训练后，在随后的加热和冷却循环中，能重复记住高温 状态和低温状态的形状，这一现象被称为双程形状记忆效应[1,2]。而对于双程形状记忆效应 的机理，学者们普遍认为其源于训练期间塑性变形引入缺陷造成的残余应力场[3,4]。
（a）预应变 6.25%
before vibration after vibration
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（c）预应变 10.25%
before vibration after vibration
1 本课题得到国家自然科学基金项目（项目编号：50671120）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（项 目编号：20050425002）的资助。
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动时效，从振动后的样品上同样截取一段用于测试膨胀量，计算双程应变。热膨胀测试是在 WDT-II 热膨胀仪上进行的。振动试验装置如图 1 所示，信号发生器产生正弦信号，通过功 率放大器后输入到激振器产生激振力，然后通过刚性棒作用到试样上。振动的幅度是通过调 节功率放大器输入电流的大小来实现的。激振器在 50Hz 频率下的力常数为 12.9N/A。实验 中激振频率为 60Hz。实验中激振器的输入电流为 2A，则 NiTi 样品上的激振力大小约为 22MPa。
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before vibration
after vibration
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（b）预应变 8.27%
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（d）预应变 12.95%
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strain(%) strain(%)
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振动时效对 NiTi 记忆合金双程记忆应变的影响1
姜大强，崔立山，郑雁军，蒋小华
中国石油大学（北京）材料科学与工程系，北京昌平（102249）
E-mail：lscui@cup.edu.cn
摘 要：本文研究了振动时效对 NiTi 形状记忆合金双程记忆效应的影响。结果表明，当预 应变较小或较大时，经过振动时效后 NiTi 合金的双程应变量增加；当预应变适中时，振动 时效后 NiTi 合金的双程应变量减小。这可能是由于振动时效在 NiTi 合金中产生了微观塑性 变形，改变了合金中的双程应力场而导致的。 关键词：振动时效；双程应变；NiTi；形状记忆合金 中图分类号：TG139.6
具有双程记忆效应的 NiTi 合金可能在振动环境下服役，根据振动时效释放钢铁、铝合 金构件残余应力的研究结果，振动可能对形状记忆合金双程记忆有影响。本文研究了振动时 效对形状记忆合金双程记忆应变的影响。
2． 实验方法
用线切割将有色金属研究总院提供的近等原比的 NiTi 形状记忆合金板切成尺寸为 1.3mm×0.9mm×140mm 的样品若干，然后在 600℃时效 30min 后空冷。形状记忆合金产生 双程记忆效应的方法很多，本文采用的方法是先将时效后的样品进行不同程度的预应变 (6.25%，8.27%，10.25%，12.95%，15.09%，18.24%)，然后将预应变后的样品在-20℃至 180℃ 之间进行 5 次热循环来获得稳定的双程形状记忆效应。从热循环后的样品上截取一段用于热 膨胀测试，测试样品升降温过程中的膨胀量，计算出样品的双程记忆应变。剩余部分进行振
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Temperature(℃)
（e）预应变 15.09%
（f）预应变 18.24%
图 2 不同预应变样品热循环 5 次后振动样品与未振动样品的双程应变回复量对比
Two-way memory strain(%)
before vibration
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after vibration
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刚性棒
夹头
NiTi 丝
信号发生器
功率放大器
激振器
图 1 振动时效对双程应变影响的装置示意图
丝杠
3． 结果与讨论
图 2 是不同预应变的 NiTi 合金热循环 5 次后振动与未振动样品的双程应变回复量对比。 从图中可以看出，当预应变为 6.25%，8.27%，15.09%，18.24%时，振动后样品的双程记忆 应变量增加；当预应变为 10.25%，12.95%时，振动后样品的双程记忆应变量反而减小。
振动时效可以释放金属构件的残余应力。目前，采用激振器共振法降低大型起重机械、 精密机床、储油罐装备等的残余应力已在工程上广泛应用[5]。至今为止，人们对振动释放钢 铁、铝合金构件残余应力效果进行了大量研究。Wozney 等人[6]发现振动释放低碳钢构件残 余应力所需的时间远比铝合金构件的时间短，Dawson 等人[7]发现振动释放碳钢构件的残余 应力仅出现在几百周次振动后，James 等人[8]认为振动释放应力存在振动应力门槛值，且随 应变振幅增大而减缓应力效果越明显。Walker 等人[9]、Munsi 等人[10-12]对振动释放应力机理 进行了较为深入研究，认为振动提高了残余应力区域的位错能量，使位错发生滑移或增殖而 发生位错组态变化。宋天民等人[13]采用 TEM 观察到 16Mn 钢焊接件经 12 分钟振动后，内 部位错发生运动、增殖、塞积与缠结现象。虽然没有统一的认识，但大多数学者认为在振动 过程中，残余应力与激振力的叠加使高残应力区的位错产生运动、增殖等变化，从而发生局 部的微观塑性变形而释放残余应力。
strain(%)
1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
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3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
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图 4 双程应力场模型 (a)预应变后；(b)加热后(T>Af)；(c)冷却后(T<Ms)
众所周知，NiTi 合金在拉伸过程中先是自适应马氏体的弹性变形；其次是马氏体再取 向过程，再取向过程持续进行一段后结束，然后发生取向马氏体的弹性变形和不可逆塑性变 形。这一过程中将在 NiTi 合金中引入位错，形成沿轴向的残余应力场。我们将变形后的 NiTi 合金内部划分成可逆变形区与不可逆变形区。可逆变形区对应于可以发生可逆马氏体相变的 区域，而不可逆变形区对应于塑性变形而不能发生可逆马氏体相变的区域，如图 4(a)所示， 图中椭圆形区域表示不可逆变形区，其它区域表示可逆变形区。在升温过程中，当温度高于 逆马氏体相变温度时，可逆变形区将发生相变而收缩，使不可逆塑性变形区（位错应力场处） 受压应力作用，而可逆变形区则受拉应力作用，如图 4(b)所示。在降温过程中，当温度冷却 到 Ms 时，可逆变形区发生正马氏体相变，由于马氏体强度低，此时在拉应力的作用下，马 氏体将会沿应力场方向优先形核、长大，使样品伸长，如图 4(c)所示。此时，不可逆变形区 仍存在很小的压应力。随后的热循环将重复上述升降温过程而表现出双程记忆效应。对于变 形较小的样品，内部不可逆塑性变形区较小，加热逆转变后产生的残余应力较小，冷却时对 可逆变形区的作用力也较小，因此，可逆变形区伸长量较少，从而双程应变较小；对于变形 较大的样品，内部不可逆塑性变形区较大，加热逆转变时，其抵抗可逆变形区域收缩的能力 也较大，使样品的收缩量较小，从而使双程应变较小。由此看来，在预变形过程中，必定存 在一个最佳的变形量，在此应变量下，可逆变形区与不可逆变形区在升降温过程中相互作用 产生的双程应力场达到一个最佳值，使 NiTi 合金在宏观上输出最大的双程应变。
因此，当样品预应变较小和较大时，可逆变形区与不可逆变形区相互作用的双程应力场 没有达到最佳匹配，经过振动后，通过位错滑移、增殖等变化产生局部微塑性变形使双程应 力场得到改善，从而使双程应变量增加；同样，当样品的预应变适中时，达到最佳值的应力 场经过振动后遭到破坏而使双程应变减小。
4． 结论
本文仪研究了振动时效对 NiTi 形状记忆合金双程记忆应变的影响。通过研究发现，形 状记忆合金的双程记忆应变随着预应变的增加先增大后减小。经过振动时效后，预应变较小 和较大的 NiTi 合金的双程记忆应变增加，而预应变适中的 NiTi 合金的双程记忆应变反而减 小。这与振动引起的内部位错滑移、增殖等变化而产生的局部微塑性变形有关。