文章编号：1004-0609(2013)S1-s0130-04

Ni含量对NiTi形状记忆合金相变及力学性能的影响

李艳锋，高宝东，尹向前

(北京有色金属研究总院 有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 100088)

摘  要：采用真空感应熔炼的方法制备3种不同Ni摩尔分数的NiTi合金，研究Ni摩尔分数对NiTi合金相变及力学性能的影响，并观察合金的金相组织及拉伸断口形貌。研究结果表明：随着Ni含量增加，合金的相变温度迅速降低，冷却过程发生两阶段相变A→R→M。随着Ni含量增加，合金的抗拉强度增加，伸长率下降。

关键词：形状记忆合金；NiTi合金；相变；力学性能；微观组织

中图分类号：TG139.6　　     文献标志码：A

Effect of Ni content on phase transformation and mechanical properties of NiTi shape memory alloys

LI Yan-feng, GAO Bao-dong, YIN Xiang-qian

(State Key Lab of Nonferrous Metals & Processes, General Research Institute for Non-Ferrous Metals, Beijing 100088, China)

Abstract: The effect of Ni content on phase transformation and mechanical properties of NiTi alloys was investigated by means of tension test, DSC, OM, and SEM. From the results it can be determined that as the Ni content increased, the phase transformation temperatures rapidly decreased, and two-stage transformation occurred during cooling: A→R→M. As the Ni content increased, the tensile strength of NiTi alloys rapidly increased, while the fracture elongation decreased.

Key words: shape memory alloy; NiTi alloy; phase transformation; mechanical properties; microstructure

NiTi形状记忆合金具有优异的记忆特性和超弹性，此外还具有良好的力学性能、生物相容性、耐蚀性等，在航天航空、机械、电子、医学等领域得到广泛的应用^[1-5]，是目前应用最为广泛的形状记忆材料。近等摩尔比的NiTi合金(富Ti)通常具有相对较高的相变温度，将其变形后加热，形状将回复到变形前的形状而表现出良好的记忆特性，因此，将其应用于各种驱动器件中。富Ni的TiNi合金(Ni摩尔分数大于50.5%)的相变温度相对较低，室温下表现出良好的超弹性，室温下加载应变4%~8%后卸载，残余应变通常小于2%，因此，被广泛用于制作眼镜架及各种医用支架等产品。

NiTi合金是目前研究和应用较为广泛的形状记忆合金之一，研究者对其记忆特性、相变、微观组织及耐蚀性等开展广泛研究^[6-10]。在NiTi合金中增加Ni的含量将大大降低合金的相变温度，然而目前对Ni含量的添加对合金力学性能的影响及微观组织分析研究尚少。

本文作者将采用真空感应熔炼方法制备Ni50Ti50、Ni50.2Ti49.8、Ni50.4Ti49.6 3种不同Ni摩尔分数的NiTi合金，研究Ni摩尔分数变化对合金相变及力学性能的影响。

1  实验

采用真空感应熔炼制备名义成分为Ni50Ti50、Ni50.2Ti49.8、Ni50.4Ti49.6 3种不同Ni摩尔分数的NiTi合金，合金经热锻、热轧和热拉拔后充分退火，最后多道次冷拉拔至d2.0 mm，冷加工变形量为40%。

热处理制度选用中温退火工艺，试样采用石英管真空封装后退火，试样长度为100 mm。热处理制度为550 ℃下退火1 h，冷却方式均为空冷。

采用NETZSCH DSC200PC测试NiTi合金丝材的相变温度，冷却和加热速率为10 ℃/min，采用切线法标定合金的相变温度。

不同Ni摩尔分数的NiTi合金丝材的力学性能测试在电子万能材料试验机上进行，非标试样标距为100 mm，拉伸速率为2 mm/min，实验温度为24 ℃。

NiTi合金的金相组织观察在Axiovert 200MAT光学显微镜下进行，金相试样所用的腐蚀液配比为V(HF):V(HNO₃):V(H₂O)=1:2:10。合金的拉伸断口形貌观察在CAMBRIDGE S360型扫描电镜上进行。

2  结果与讨论

不同Ni摩尔分数的NiTi合金退火后的DSC曲线如图1所示。Ni50Ti50合金在加热和冷却的相变过程中发生M→A和A→M相变，而Ni50.2Ti49.8和Ni50.4Ti49.6合金在冷却过程中发生两阶段相变，A→R→M，但加热过程中仍为M→A相变，原因可能是随着Ni摩尔分数增加，加工变形后会增加合金的位错和空位等缺陷组织，这些缺陷将有助于R相变的发生^[10]。

图1  不同Ni摩尔分数NiTi合金的DSC曲线

Fig. 1  DSC curves of NiTi alloys with different Ni mole fractions

随着Ni摩尔分数的增加，NiTi合金相变温度降低，例如Ni50Ti50、Ni50.2Ti49.8和Ni50.4Ti49.6 3种不同Ni摩尔分数的NiTi合金的M_s温度分别为56 ℃、7 ℃和-13 ℃，这与通常认为Ni摩尔分数增加0.1%将引起合金相变温度升高10~15 ℃的观点基本一致，Ni摩尔分数增加引起相变温度降低为NiTi合金的物理属性，Ni摩尔分数增加将导致合金中电子能密度发生变化，引起合金c₄₄变小，使得合金相变过程中的切变更容易发生，从而导致合金的相变温度下降。

不同Ni摩尔分数的NiTi合金退火后的金相组织如图2所示。由图2可见：不同Ni摩尔分数的NiTi合金组织均为细小的等轴组织，晶粒大小基本相当，为20~30 μm，在晶界附近均有不同程度的Ti₂Ni相富集。

图2  不同Ni摩尔分数NiTi合金的金相组织.

Fig. 2  Optical microstructures of NiTi alloys with different mole fraction of Ni

不同Ni摩尔分数的NiTi合金退火后的室温拉伸应力-应变曲线如图3所示，Ni50Ti50合金在室温拉伸过程中发生马氏体再取向，而后发生进一步的马氏体再取向及马氏体弹性变形，最后发生塑形变形，这因为合金的相变温度高(M_s=37 ℃)，室温下为完全马氏体状态；而Ni50.2Ti49.8和Ni50.4Ti49.6合金在拉伸过程中均发生应力诱发马氏体，而后发生进一步的马氏体再取向及马氏体弹性变形，最后发生塑形变形，这是因为合金的相变温度相对较高，室温下为奥氏体。Ni50Ti50合金发生马氏体再取向的应变平台较短，应变约为6.2%，而Ni50.2Ti49.8和Ni50.4Ti49.6合金发生应力诱发马氏体的应变平台为7.5%~8.0%。应力平台对应的应力值也不一样，这与合金的相变温度关系密切，3种不同NiTi合金的相变温度相对于24 ℃的试验温度有不同的差值，应变平台值与相变温度满足Clausius-Clapeyron方程，因此三者的应力平台值不一样。

随着Ni摩尔分数的增加，NiTi合金的抗拉强度升高，伸长率下降，Ni50Ti50、Ni50.2Ti49.8和Ni50.4Ti49.6 3种合金的抗拉强度分别为1 170、1 020和935 MPa，伸长率分别为38.0%、45.0%和51.0%。

图3  不同Ni摩尔分数NiTi合金的应力-应变曲线

Fig. 3  Stress-strain curves of NiTi alloys with different Ni mole fractions

不同Ni摩尔分数NiTi合金丝材的拉伸断口形貌如图4所示。由图4可见：不同Ni摩尔分数的NiTi合金断口均呈现典型韧性断裂的韧窝组织，但不同Ni摩尔分数的NiTi合金韧窝大小存在较大差异，随着Ni摩尔分数的增加，韧窝尺寸变大，韧窝由几微米增加到10~20 μm，这也正好与合金拉伸的伸长率相一致。随着Ni摩尔分数增加，伸长率下降，韧窝变大，降低了合金的塑形。

图4  不同Ni摩尔分数NiTi合金的断口形貌

Fig. 4  Fracture morphologies of TiNi alloys with different Ni mole fractions

3  结论

1) Ni摩尔分数增加引起NiTi合金相变温度下降，当Ni摩尔分数不低于50.2时，在冷却过程中将发生两阶段相变A→R→M。

2) Ni摩尔分数增加导致NiTi合金的抗拉强度提高，伸长率下降。拉伸断口的韧窝尺寸随Ni含量的增加而变大。

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(编辑  邓履翔)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51201014)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：李艳锋，高级工程师，博士；电话：010-82241176；E-mail：lyf@grinm.com