化学成分对铁锰硅合金形状记忆效应的影响

化学成分对铁锰硅合金形状记忆效应的影响孙广平李建忱赵明蒋青宋玉泉(吉林工业大学)摘要研究了三种不同成分的铁锰硅形状经历合金。

结果说明，合金Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni具有较好的形状经历效应。

经训练后，在预变形为4 %～9 %范畴内，相对应变回复率可提高40 %左右，绝对应变回复率可达6.2 %。

关键词铁锰硅合金形状经历效应化学成分EFFECT OF CHEMICAL COMPOSITION ON SHAPEMEMORYOF FeMnSi SHAPE MEMORY ALLOYSUN Guangping LI Jianchen ZHAO MingJIANG Qing SONG Yuquan(Jilin University of Technology)ABSTRACT Three Fe-Mn-Si shape memory alloys have been studied.The results show that alloy-3 have good shape memory effect.By training,in the pre-strain range 4 %～9 %,the relative recovery strain can be increased by40 %,the absolute recovery strain can reach 6.2 %.The optimum composition of the alloy is Fe14Mn6Si9Ci5NiKEY WORDS FeMnSi alloy,shape memory effect,chemical composition自从Sato等人在铁锰硅合金中发觉形状经历效应［1］以来，该合金迅速成为人们研究的一个热点，它的要紧特点是价格低廉，机械加工性能好。

其形状经历效应的机制不同于其它形状经历合金［2，3］，是由应力诱发ε马氏体相变的逆转变ε→γ引起的。

这类合金中，应用前景较好、形状经历效应较稳固的是铁锰硅铬镍系合金。

其特点是反铁磁转变温度低，在室温下存在降温ε马氏体，且耐腐蚀等。

然而在工业应用中所遇到的一些问题，如合金的化学成分对形状经历效应的阻碍、提高形状经历效应的训练方法；绝对应变回复率的提高等，尚未取得一致见解。

为此，本文对上述几方面问题进行了探讨和分析。

1 试验方法及成分设计1.1 试验方法试验合金采纳工业纯金属配制，在真空感应电炉中熔炼。

铸锭经1 100 ℃热轧成8 mm厚板材，然后进行1 200 ℃×8 h平均化固溶处理，切割成80 mm×8 mm×1.0 mm 的试样，用于测试形状经历效应。

预变形采纳弯曲变形，将试样围绕直径为d 的圆柱弯曲180°。

预变形量(εp )＝t/d×100 %，式中，t 为试样厚度/mm ；d 为圆柱直径/mm 。

合金的形状经历效应可用几个指标来衡量：相对应变回复率(f sme )，绝对应变回复率(εα)，相对超弹性应变(εse )(包括线弹性应变)。

它们的表达式分别为f sme ＝θm /(180°-θe )×100 %εα＝f sme εpεse ＝θe εp /180°式中，θm 为回复退火前后的角度差；θe 为弯曲变形卸载前后的角度差。

在室温下将试样进行弯曲变形(预变形)，然后在600 ℃进行回复退火处理0.5 h ，这时试样产生了回复变形，再在室温下将试样矫直为原始直线状，用夹具压制保持其直线状在600 ℃保温1 h 后空冷至室温。

该过程称为一次训练。

1.2 合金的成分设计依照文献［1～5］，为了获得较好的形状经历效应，一样应满足下列条件。

(1) 反铁磁转变温度(T n )应远低于马氏体转变开始点M s 。

如此有利于降低铁基形状经历合金中奥氏体的稳固性，从而便于应力诱发ε马氏体的形成。

(2) 奥氏体应有较高的强度，较低的层错能。

如此有利于合金在较小的变形应力下形成应力诱发ε马氏体，而塑性变形(真实塑性变形)所必需的位错运动则较难进行。

(3) 应力诱发ε马氏体的晶格常数c/a 轴比应接近8/3，以使奥氏体容易转变为ε马氏体。

(4) M s 点在室温邻近。

合金只发生γ→ε转变，而不发生γ→α′马氏体转变，因为α马氏体不具有形状经历效应。

上述条件均可通过改变化学成分来加以改善和调整。

锰能够降低M s ，而提高T n ［6］。

硅能降低T n 和奥氏体的层错能［6］，但其含量一样不超过6 %，因为硅含量过高将导致合金性能变脆，恶化合金的机械加工性能。

通过硅和锰含量的合理搭配，能够调整T n 和M s 。

考虑到工业应用所需的耐腐蚀性，加入一定量的铬和镍来改善耐腐蚀性能。

同时铬能够降低M s 和T n 。

为了获得适当的M s ，加入铬的同时，要适当降低锰量。

为幸免由于铬的加入所引起的σ硬脆相的显现，需要加入适当的镍。

加入钴能够降低层错能和T n ［4］，但钴对提高奥氏体强度不利。

依照以上分析，本试验共设计了三种不同成分的合金。

合金化学成分见表1。

2 试验结果及分析2.1 合金成分对形状经历效应的阻碍表 1 试样的化学成分%Table 1 Chemical composition of alloys %编号Mn Si Cr Ni Co C S P Fe 合金1 18.3 5.76 7.60 7.20 —＜0.02 ≤0.003≤0.003余量合金2 15.5 5.89 8.55 6.24 4.90 ＜0.02 ≤0.003≤0.003 余量合金3 14.4 5.87 8.73 5.01 —＜0.02 ≤0.003≤0.003余量图 1 不同成分合金的相对应变回复率的变化曲线Fig.1 The fsmeversus composition图1为设计的三种成分合金相对应变回复率(fsme)与预变形量(εp )之间的变化曲线。

可见，三种成分合金的fsme均随εp的增加而下降。

其中合金2的fsme 最低，合金1次之，合金3具有最佳的fsme。

含有5 %Co的合金2，不能提高合金的形状经历效应。

合金1和2中镍含量较高，导致形状经历效应降低。

依照以上结果，能够将合金成分对形状经历效应的阻碍作初步的分析。

由于钴元素不能提高奥氏体的强度，尽管它能降低奥氏体的层错能，但又因硅强烈地降低合金层错能的作用，使得钴降低层错能的作用甚微，因此含有5 %Co的合金2并不能提高合金的形状经历效应。

含有铬的合金中，必须加入镍以幸免σ相的析出，但镍元素具有稳固奥氏体并降低Ms点和增加层错能［7］的作用，故不利于提高合金的形状经历效应，因此，镍含量较高的合金1和2，其形状经历效应均较低。

锰含量的变化，将改变Ms，导致降温ε马氏体数量的不同。

Inagaki指出［3］，只有一端联接在晶界上或者联接在已存在的ε马氏体上的层错，才能在应力作用下扩展和在加热时收缩，从而产生形状经历效应。

因此室温下已存在的ε马氏体能够起到两方面的作用，一是能够像晶界一样提供更多的应力诱发ε马氏体的形核部位，使得产生更多的应力诱发ε马氏体；另一方面又能够幸免shockley不全位错的长程移动，从而幸免不同的shockley不全位错的交割，而这种交割使shockley不全位错在加热时不能完全回复，因而对形状经历效应不利。

合金3的形状经历效应较高，缘故之一确实是锰含量较低，Ms相对较高，室温下存在少量降温ε马氏体［8］。

2.2 热机械训练对合金形状经历效应的阻碍图2为合金3训练后的fsme 变化曲线。

通过训练后，fsme均有不同程度的提高，专门在εp 为4 %～9 %范畴内，fsme提高幅度较大，达到40 %左右。

同时还能够看到，经三次训练后，fsme有下降的趋势。

图 2 合金3经训练后的fsme的变化曲线Fig.2 The fsmeof alloy-3 after training训练同样也提高了合金1和2的形状经历效应，但仍低于合金3。

图3为合金1和3经两次训练后的绝对应变回复率(εα)和相对超弹性应变(εse )的变化曲线。

合金1的εα低于合金3，而εse与合金3的相差不大。

当εp 为9 %时，合金3的εα和εse均显现极大值，分别为6.2 %和0.99 %，而合金1的εα和εse变化却与合金3不同，只随εp增加而缓慢提高。

对比图1～3可知，εp 较小时，fsme较高，但其εα有限。

当εp 为9 %时，εα显现极大值，为6.2 %。

在高的εp条件下，尽管显现层错间的交互作用和位错移动而导致真实塑性变形，但εα增加，这一点对工业应用将是十分重要的。

从工业应用的角度动身，小变形时对应的高的形状经历效应并不专门有用，而对工业应用有实际意义的图 3 合金1和3经两次训练后的εα和εse的变化曲线Fig.3 Th εαand εseof alloy-1 and alloy-3after twice training依旧获得高的绝对应变回复率。

为了分析训练对形状经历效应的阻碍，进行了金相观看，发觉训练后的合金3中显现了较多的第二相和残余的ε马氏体，而在相同条件下，合金2的ε马氏体较少，合金1中未发觉ε马氏体。

通过磁性测量说明，合金3在3次训练后显现了铁磁性的α马氏体，6次训练后，α数量更多，而现在的fsme则降低到未训练前的水平。

其它两种合金经训练后的α数量相对较少。

据笔者分析，训练提高形状经历效应的缘故在于训练过程中的600 ℃退火，为某种马氏体变体提供了更有效的形核部位，使之在预变形时产生更多的且位向一致的应力诱发ε马氏体，这种位向一致的应力诱发ε马氏体在回复退火时发生ε→γ转变，能充分发挥形状回复的成效，从而提高形状经历效应。

而随训练次数增多，组织中开始显现α马氏体，导致形状经历效应开始下降。

3 结论(1) Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni合金具有较好的形状经历效应，其绝对应变回复率可达6.2 %。

(2) 训练可提高形状经历效应40 %左右(在εp为4 %～9 %范畴内)，但训练次数超过2次，形状经历效应将开始下降。

参考文献1Sato A,Chishima E,Yamaji Y,et al.Orientation and Composition Dependences of Shape Memory Effect in Fe-Mn-Si Alloys.ActaMetall,1984,32:539.2Otsuka H,Yamada H,Maruyama T,Tanahashi H,et al.Effects of Alloying Additions on Fe-Mn-Si Shape Memory Alloys.ISIJInternational,1990,30:674.3Ingaki H.Shape Memory Effect of Fe-14 %Mn-6 %Si-9 %Cr-6%Ni Alloy Polycrystals.Z.Metallkd.1992,83:90.4Hamers A A H,Wayman C M.Shape Menory Behavior in Fe-Mn-Co Alloy.Scripta Metall Mater,1991,25:27.5Gu Q,Federzoni L,Jang W Y.γ→ε and γ→ε→αTransformation in a Fe-Mn-Si Based Shape Memory Steel.SMM-94.Chu Y,HuH.Beijing:International Academic Publishers,1994.488.6Murakami M,Suzuki H,Akantra Y N.Effect of Silicon the Shape Memory Effect of Polycrystalline Fe-Mn-Si Alloys.Transactions ISIJ,1987,27:B87.7 ［美］唐纳德*皮克纳，I.M.伯恩斯坦.不锈钢手册.北京：机械工业出版社，1987.123.8 李建忱，赵明，蒋青.训练对Fe14Mn6Si5Ni合金形状经历效应的阻碍.金属热处理学报，1996，17：41.。