简介概要

应变速率对TiNi形状记忆合金压缩力学行为的影响

来源期刊：中国有色金属学报2004年第7期

论文作者：黄学文董光能周仲荣谢友柏

文章页码：1168 - 1168

关键词：形状记忆合金；相变；超弹性；应变速率；应力—应变曲线

Key words：shape memory alloy; phase transformation; pseudoelasticity; strain rate; stress—strain curve

摘要：考察了中温时效处理后的Ti-50.9%Ni（摩尔分数）合金在实验温度为20℃，不同应变速率下的轴向压缩应力—应变力学行为。实验结果表明：随着应变速率的增加，合金的应力诱发马氏体相变临界应力逐渐增加，相变平台逐步消失，卸载后的残余应变减小，加载—卸载变形曲线的应力（应变）滞后也减小；在较高加载速率下，合金表现出类线性超弹性变形行为，可获得高达4.5%的类线性超弹性。

Abstract: The mechanical behavior of aged Ti-50.9%Ni(molar fraction) alloy under axial compression dynamic load was investigated under different strain rates at 20℃. The experimental results indicate that with the strain rate increasing, the critical stress for inducing martensitic transformation rises and the plateau of phase transformation disappears, while the stress (strain) hysteresis becomes smaller and the residual strain decreases. At higher strain rate, the alloy exhibits linear-like pseudoelasticity, which is up to 4.5%.

中国有色金属学报 2004,(07),1168-1170 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.07.020

应变速率对TiNi形状记忆合金压缩力学行为的影响

黄学文董光能周仲荣谢友柏

西安交通大学润滑理论及轴承研究所,西安交通大学润滑理论及轴承研究所,西南交通大学摩擦学研究所,西安交通大学润滑理论及轴承研究所西安710049 ,西安710049 ,成都610031 ,西安710049

摘要：

考察了中温时效处理后的Ti 50.9%Ni(摩尔分数)合金在实验温度为20℃,不同应变速率下的轴向压缩应力—应变力学行为。实验结果表明:随着应变速率的增加,合金的应力诱发马氏体相变临界应力逐渐增加,相变平台逐步消失,卸载后的残余应变减小,加载—卸载变形曲线的应力(应变)滞后也减小;在较高加载速率下,合金表现出类线性超弹性变形行为,可获得高达4.5%的类线性超弹性。

关键词：

形状记忆合金;相变;超弹性;应变速率;应力—应变曲线;

中图分类号： TG139.6

作者简介：黄学文(1972),男,博士研究生.;电话:0292669083;E mail:huangxuewen@tlbi.xjtu.edu.cn;

收稿日期：2003-10-16

基金：国家自然科学基金资助项目(50075072);西南交通大学四川省摩擦学和表面工程重点实验室基金资助项目;

Influence of strain rate on mechanical behavior of TiNi shape memory alloy under compression

Abstract：

The mechanical behavior of aged Ti-50.9%Ni(molar fraction) alloy under axial compression dynamic load was investigated under different strain rates at 20 ℃. The experimental results indicate that with the strain rate increasing, the critical stress for inducing martensitic transformation rises and the plateau of phase transformation disappears, while the stress (strain) hysteresis becomes smaller and the residual strain decreases. At higher strain rate, the alloy exhibits linear-like pseudoelasticity, which is up to 4.5%.

Keyword：

shape memory alloy; phase transformation; pseudoelasticity; strain rate; stress—strain curve;

Received： 2003-10-16

金属间化合物TiNi合金在众多形状记忆材料中因其突出的力学性能 ^[1] 、良好的耐磨损耐腐蚀性能 ^[2,3] 、生物相溶性 ^[4] 以及高阻尼性能 ^[5] 而得到人们的极大关注, 其应用范围也越来越广泛。作为一种新型的摩擦学材料, TiNi合金的机敏性摩擦学行为和相变超弹特性与其综合力学性能密切相关。 TiNi合金的超弹性能受合金成分、热处理方式、实验温度和应力的影响很大 ^[6,7,8] , 本文作者以Ti-50.9%Ni(摩尔分数)合金为研究对象, 考察中温时效后合金在室温时不同压缩应变速率下的力学行为, 为TiNi合金的工程应用奠定基础。

1 实验

实验用材料为北京有色金属研究院提供的Ti-50.9%Ni(摩尔分数)合金, 采用真空感应法熔炼, 锭材经1 000 ℃, 4 h均匀化处理后锻造、轧制、旋锻、拉拔成棒材, 再经500 ℃, 1 h时效处理。通过线切割并机械磨光制成尺寸为d 5 mm×14 mm的试样。

合金相变温度测试在DSC2910型差示扫描量热仪上进行, 实验温度范围为-70 ℃～100 ℃, 升温速率和降温速率均为3 ℃/min, 合金的相变温度如表1所示。

压缩实验在美国MTS 858Mini Bionix试验机上进行。采用位移控制, 加载应变速率分别为3 mm/min, 15 mm/min, 30 mm/min和50 mm/min, 实验温度为20 ℃(293 K)。忽略实验过程中由于压缩造成的试样横截面积的变化, 将载荷(kN )转化为应力(MPa ), 实验过程中每一时刻的试样长度与原始长度之比即为轴向平均应变。

2 结果与讨论

图1所示为Ti-50.9%Ni合金在20 ℃时, 不同应变速率下的压缩应力—应变曲线。由图1(a)可以看出在缓慢加载情况下, 开始时应力随应变上升较快, 曲线斜率较大; 当应力约为350 MPa时合金开始“屈服”, 出现一个较宽的应力缓慢上升阶段, 而应变增加较快。加载到650 MPa时卸载, 发现同加载时的情形类似, 开始应力下降较快, 应变变化不大, 应力下降到约200 MPa时, 应力下降趋势变缓, 而应变急剧减小。最后当负载降为零时, 合金残留有 1.2%的应变不能恢复, 因而加载应力—应变曲线和卸载曲线形成了一个较大的封闭区域, 该曲线反映了合金的相变非线性超弹性能力。室温状态下, 中温时效处理过的Ti-50.9%Ni合金因其A_f较高(38.5 ℃), 显微组织为奥氏体母相和马氏体低温相两相共存。开始加载时, 马氏体在应力作用下重新取向排列, 大约 1.5%的应变主要为马氏体的再取向而产生, 奥氏体相的弹性变形量很小; 当应力达到350 MPa时, 奥氏体母相发生应力诱发马氏体相变, 350 MPa即为诱发马氏体相变的临界应力σ_M, 相变对变形的贡献较大; 卸载后, 合金发生马氏体逆相变, 大部分变形恢复, 1.2%的应变由于合金发生塑性滑移, 形成永久变形而不能恢复。随着应变速率的增加, 合金应力—应变曲线形状发生变化(如图1(b), (c)和(d)所示)。首先是临界应力逐渐提高, 应力(应变)滞后减小, 相变阶段应力—应变曲线的斜率增加, 特别是在较高的应变速率下, 加载曲线和卸载曲线没有明显的相变平台。

加载曲线与应变轴所围面积表示材料的变形能, 卸载曲线与应变轴所围面积表示释放能, 加载—卸载曲线所包围的面积则代表一个应力循环中的能量耗散。从图1可以看出, 应变速率的提高对TiNi合金的力学特性的影响表现在4个方面: 1) 提高了相变临界应力; 2) 增大了释放能, 降低了耗散能; 3) 应力(应变)滞后减小, 相变非线性超弹性向类线性超弹性转化, 合金表现出类线性超弹性; 4) 减小了残余应变。这种现象可能与合金良好的快速应变硬化性能以及材料的微观组织有关。应变速率越高, 合金的应变硬化效果越明显, Lin等 ^[9] 在实验中也发现, 随着TiNi/SUJ-2Cr 摩擦副相对滑动速度的增加, TiNi合金的硬度上升。合金的硬度高, 受应力作用时, 不易发生塑性滑移, 表现出较好的超弹性; 而且硬度的变化同样会影响合金的阻尼性能, 因为阻尼的产生来源于位错和晶界/相界的运动, 硬度的增高自然会降低合金的耗散阻尼性能。随着应变速率的增大, 相变时的屈服平台逐步消失, 这是由于时效过程中析出的细小弥散的Ti₃Ni₄相对基体的强化作用与应力诱发马氏体相变相叠加, 以至通常出现的相变屈服平台被Ti₃Ni₄相的沉淀强化现象所掩盖。