第二相方向性析出和晶粒細(xì)化提高FeMnSiCrNi基合金記憶效應(yīng)的研究.pdf

1、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形狀記憶合金具有生產(chǎn)成本低、加工性能好、成本低和相變熱滯大(A<,f>-M<,s>)等優(yōu)點(diǎn)，但仍未獲得廣泛的工程應(yīng)用。本文在閱讀和分析國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，將Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形狀記憶合金應(yīng)用存在的關(guān)鍵問(wèn)題歸納為以下三點(diǎn)：(1)形狀記憶效應(yīng)不理想，可回復(fù)應(yīng)變量低，現(xiàn)有的提高形狀記憶效應(yīng)(SME)最有效的方法為熱機(jī)械循環(huán)，但工藝復(fù)雜，難以滿足實(shí)際舡程應(yīng)用；(2)合金回復(fù)應(yīng)力較低；(3)低溫時(shí)

2、回復(fù)應(yīng)力低溫松弛率過(guò)高。為了開(kāi)發(fā)出一種免訓(xùn)練，同時(shí)具有好的SME、高的回復(fù)應(yīng)力和低的低溫松弛的FeMnSiCrNi材料與工藝，本文提出了(a)第二相方向性析出提高SME和回復(fù)應(yīng)力與(b)晶粒細(xì)化提高合金SME和回復(fù)應(yīng)力、抑制低溫松弛這兩個(gè)構(gòu)想，開(kāi)展了以下具體工作。 通過(guò)形變后時(shí)效的方式實(shí)現(xiàn)了在FeMnSiCrNi合金中定向析出第二相的構(gòu)想，定向析出第二相后，合金形狀回復(fù)率達(dá)到89％(預(yù)變形量5％)，比固溶態(tài)高63％，比直接時(shí)效最

3、佳回復(fù)率高26％。研究發(fā)現(xiàn)預(yù)變形10％后時(shí)效，在Fe13.53Mn4.86Si8.16Cr3.82Ni0.16C合金晶粒內(nèi)析出大量方向性的Cr<,23>C<,6>第二相，數(shù)量顯著多于直接時(shí)效合金，且尺寸僅為直接時(shí)效合金的一半。SEM原位觀察和TEM組織分析證實(shí)第二相定向析出的根本原因是時(shí)效前預(yù)變形獲得的線性γ/ε界面對(duì)第二相析出的誘導(dǎo)作用。原位分析顯示形變后時(shí)效獲得的方向性Cr<,23>C<,6>與時(shí)效前的γ/ε界面具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4、TEM分析顯示預(yù)變形獲得的部分γ/ε界面在1073K保溫時(shí)，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成回復(fù)，在此過(guò)程中，第二相的析出同步完成。實(shí)際上，在這γ/ε界面回復(fù)的過(guò)程中，第二相形核較短時(shí)間(2min)就開(kāi)始；隨著時(shí)間增加，γ/ε界面進(jìn)一步回復(fù)，更多的第二相在此過(guò)程中形核，界面回復(fù)的自由能也用于第二相形核；時(shí)效時(shí)間超過(guò)60min后，界面基本消失，第二相的形核也完成。通過(guò)電阻法、XRD、SEM、TEM等研究了第二相方向性析出提高SME的機(jī)制。XRD和電阻

5、法分析顯示形變時(shí)效合金經(jīng)相同預(yù)變形后，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體數(shù)量多于固溶態(tài)和直接時(shí)效合金；加熱回復(fù)后，發(fā)生逆轉(zhuǎn)變的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體量也顯著多于后者，這是形變時(shí)效合金獲得好的SME的直接原因。具體機(jī)理為：一方面是由于形變時(shí)效析出的第二相對(duì)基體的強(qiáng)化效果顯著大于直接時(shí)效，同時(shí)第二相析出降低了應(yīng)力誘發(fā)馬氏體臨界應(yīng)力，增大了奧氏體基體的屈服強(qiáng)度σ<,p>與應(yīng)力誘發(fā)γ→ε氏體相變臨界應(yīng)力σ<,SIM>之間的差值△σ<,m>；另一方面方向性第二相析出將基體分

6、割成更多更小區(qū)域，避免了不同區(qū)域馬氏體的交叉碰撞。 通過(guò)控制時(shí)效前預(yù)變形量、預(yù)變形溫度、時(shí)效工藝參數(shù)等可以有效控制 FeMnSiCrNiC中γ/ε界面的數(shù)量和方向性，從而控制時(shí)效后析出第二相的數(shù)量和方向性。研究發(fā)現(xiàn)單一方向的第二相能將奧氏體晶粒分割成更多數(shù)量的小區(qū)域，減少不同區(qū)域內(nèi)應(yīng)力誘發(fā)ε氏體的交叉碰撞，有利于提高馬氏體片的可逆轉(zhuǎn)變性。本文通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化出室溫預(yù)變形10％，時(shí)效工藝1073K/300min的最佳工藝。 研

7、究發(fā)現(xiàn)形變時(shí)效同時(shí)提高合金回復(fù)應(yīng)力，其主要原因?yàn)椋?a)形狀回復(fù)率得到提高；(b)第二相的大量析出提高合金的中溫強(qiáng)度，抑制約束條件下冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形。本文還發(fā)現(xiàn)定向析出第二相合金回復(fù)應(yīng)力的低溫松弛率高于固溶態(tài)和直接時(shí)效合金。但即使產(chǎn)生低溫松弛，形變時(shí)效合金在低溫(240K)時(shí)回復(fù)應(yīng)力仍高于固溶態(tài)和直接時(shí)效合金。本文還模擬了自然條件下溫度循環(huán)對(duì)鐵基合金回復(fù)應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻至低溫時(shí)發(fā)生回復(fù)應(yīng)力松弛，冷卻后升溫過(guò)程中，由于熱膨脹導(dǎo)

8、致回復(fù)應(yīng)力繼續(xù)降低，據(jù)此提出了回復(fù)應(yīng)力熱膨脹松弛的概念，建議將冷卻至低溫后再次升溫后的回復(fù)應(yīng)力作為工程應(yīng)用的關(guān)鍵衡量參數(shù)。 為實(shí)現(xiàn)制備塊狀細(xì)晶FeMnSiCrNi合金的構(gòu)想，本文采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)(ECAP)，利用1～2道次擠壓引入較大變形量，隨后進(jìn)行一定的退火處理促進(jìn)變形組織的回復(fù)再結(jié)晶，獲得平均晶粒尺寸約5.0μm的細(xì)晶合金。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)晶FeMnSiCrNi合金預(yù)變形量從4.33％增加到12％時(shí)，細(xì)晶合金回復(fù)率降低較少，

9、說(shuō)明塑性變形被有效抑制；較低溫度(200K)預(yù)變形4.33％后，獲得95％的回復(fù)率。晶粒細(xì)化對(duì)FeMnSi基合金形狀回復(fù)率的影響在于：(a)晶粒細(xì)化同時(shí)提高合金塑性變形所需的臨界應(yīng)力和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體臨界應(yīng)力，但增加塑性滑移臨界應(yīng)力σ<,p>與應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變臨界應(yīng)力σ<,SIM>之間的差值△σ<,m>；(b)減少應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的交叉碰撞，有利于提高應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變性。晶粒細(xì)化顯著提高FeMnSiCrNi合金的回復(fù)應(yīng)力，細(xì)

10、晶合金室溫回復(fù)應(yīng)力達(dá)到460MPa，是固溶態(tài)合金的3倍。其機(jī)理在于晶粒細(xì)化大幅度提高合金中溫強(qiáng)度，抑制約束狀態(tài)下冷卻過(guò)程中因塑性滑移造成的回復(fù)應(yīng)力松弛，冷卻到室溫后獲得較高的回復(fù)應(yīng)力。另一方面，晶粒細(xì)化降低合金M<,s>溫度，提高合金應(yīng)力誘發(fā)馬氏體臨界應(yīng)力，因此抑制冷卻到低溫時(shí)二次應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的發(fā)生，可以有效的解決FeMnSiCrNi合金回復(fù)應(yīng)力低溫松弛的問(wèn)題。 本文最后將形變誘導(dǎo)第二相析出的構(gòu)想引入ECAP態(tài)合金中，利用EC