Ti-Ni基形狀記憶合金中弛豫行為的微觀機(jī)制研究.pdf

1、阻尼性能是 Ti-Ni基形狀記憶合金除形狀記憶效應(yīng)與超彈性以外的又一項(xiàng)重要力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、建筑、機(jī)械、潛艇等領(lǐng)域以起到防振減噪的作用。Ti-Ni形狀記憶合金的阻尼內(nèi)耗值一般在0.02左右，進(jìn)一步提高合金的阻尼性能一直是許多材料工作者追求的目標(biāo)。相比于馬氏體相變內(nèi)耗，弛豫型內(nèi)耗具有峰值穩(wěn)定，受升降溫速率影響小的優(yōu)點(diǎn)，通過引入弛豫型內(nèi)耗有望進(jìn)一步提高Ti-Ni基形狀記憶合金的阻尼性能。此外，弛豫型內(nèi)耗常與材料中的缺陷有關(guān)，研究

2、材料的弛豫行為有助于理解缺陷對(duì)材料相變、力學(xué)、結(jié)構(gòu)衍化等行為的影響。
　　Ti-Ni基形狀記憶合金中兩種代表性的弛豫型內(nèi)耗包括孿晶與氫相互作用弛豫峰（PTWH），非正常馬氏體轉(zhuǎn)變合金中的“應(yīng)變玻璃凍結(jié)”弛豫峰。其中PTWH峰是一個(gè)寬泛的弛豫峰，其寬泛機(jī)制目前尚不清楚，如何調(diào)控PTWH峰的強(qiáng)度與峰位也缺乏系統(tǒng)的研究。對(duì)于“應(yīng)變玻璃凍結(jié)”弛豫峰則還存在著“應(yīng)變玻璃凍結(jié)”以及“預(yù)馬氏體滯彈性弛豫”等觀點(diǎn)的爭(zhēng)議。此外，Ti-Ni基形狀記憶

3、合金高溫范圍的弛豫行為一直少有報(bào)導(dǎo)。本文的目的就是希望結(jié)合內(nèi)耗與微觀結(jié)構(gòu)表征的方法來揭示Ti-N i基形狀記憶合金中PTWH峰，“應(yīng)變玻璃凍結(jié)”弛豫峰和高溫弛豫三方面弛豫行為的微觀機(jī)制。本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的主要結(jié)果如下：
　　1、研究了氫含量對(duì)Ti50Ni30Cu20合金弛豫行為的影響規(guī)律，并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)表征研究該弛豫峰的寬化機(jī)制，最后研究了氫對(duì)合金相變與拉伸力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明當(dāng)Ti50Ni30Cu20合金中的氫含量在

4、30ppm左右時(shí)，合金在室溫附近顯示出寬溫域、高阻尼特性，弛豫內(nèi)耗最高值達(dá)到0.16。過高的氫含量也會(huì)降低 PTWH峰的強(qiáng)度與溫寬，研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)含氫樣品在開放環(huán)境中退火時(shí)，退火溫度越高，合金中的氫含量越低，并且存在一個(gè)臨界退火溫度（993 K附近），高于這一溫度退火將使PTWH峰完全消失。TEM結(jié)果表明，Ti50Ni30Cu20合金中存在{011}復(fù)合孿晶與{111}Ⅰ型孿晶，多種類型的孿晶與氫的共同作用是合金PTWH峰寬泛的主要原因。

5、
　　氫對(duì)Ti50Ni30Cu20合金相變與拉伸性能影響的結(jié)果表明：隨著氫含量的提高，B2-B19相變的轉(zhuǎn)變焓降低，合金延伸率下降，臨界去孿生應(yīng)力上升。室溫時(shí)效處理過后，合金相變溫度略向低溫偏移，室溫時(shí)效過后，Ti50Ni30Cu20合金顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。氫化物與固溶氫的聯(lián)合作用是氫產(chǎn)生上述影響的主要原因。
　　2、研究了氫含量對(duì)Ti50Ni44Fe6合金低溫弛豫行為的影響。Ti50Ni44Fe6合金被認(rèn)為是典型的發(fā)生

6、“應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變”的合金。研究發(fā)現(xiàn)：在去氫的Ti50Ni44Fe6合金樣品中沒有觀察到所謂的低溫“應(yīng)變玻璃凍結(jié)”弛豫峰，而在含適量氫的合金中能夠觀察到“應(yīng)變玻璃凍結(jié)”弛豫峰。該弛豫峰既能用描述玻璃行為的Vogel-Fulcher公式擬合，也能用Arrhenius公式進(jìn)行擬合。用Arrhenius公式擬合得到該弛豫峰的激活參數(shù)為：Ea=0.58±0.02 eV,τ0=1.27×10-18 s。在低于這一內(nèi)耗峰的溫度，氫會(huì)降低合金的內(nèi)耗值。上

7、述結(jié)果證實(shí)氫是導(dǎo)致Ti50Ni44Fe6合金中低溫內(nèi)耗峰（約160 K，0.1 Hz）的主要原因，并提出了氫與納米疇相互作用模型解釋Ti50Ni44Fe6合金中的低溫滯彈性行為。
　　3、研究了Ni50.3Ti29.7Zr20形狀記憶合金的高溫（室溫-900 K）弛豫行為，進(jìn)而采用等溫內(nèi)耗與 DSC的方法研究了合金的時(shí)效析出過程。結(jié)果表明：Ni50.3Ti29.7Zr20合金在787 K附近存在一個(gè)弛豫型內(nèi)耗峰P1（0.5 Hz）

8、，這一內(nèi)耗峰所在的溫度位于時(shí)效H相（文獻(xiàn)中對(duì)該合金中一種富 Ni型析出的稱呼）形成的溫度范圍內(nèi)。P1峰的激活參數(shù)為：Hact=1.48±0.02 eV，τ0=7.6×10-10 s，且P1具有點(diǎn)缺陷弛豫特征的寬化因子β=1.2。二元Ti-Ni形狀記憶合金中也有一個(gè)類似的內(nèi)耗峰，但峰溫與峰強(qiáng)低于三元Ni50.3Ti29.7Zr20合金。根據(jù)上述特征提出Ni原子的短距離擴(kuò)散Zener峰機(jī)制解釋P1峰的來源。原位等溫時(shí)效力學(xué)譜表明，合金動(dòng)態(tài)模

9、量隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，反映了時(shí)效析出對(duì)合金的強(qiáng)化作用，而且時(shí)效溫度越高，內(nèi)耗達(dá)到穩(wěn)定水平所需時(shí)間越短。TEM結(jié)果表明500℃時(shí)效處理使合金中析出了均勻分布的H相，這種析出物呈紡錘狀且分布均勻。DSC結(jié)果表明，時(shí)效析出顯著提高了合金的相變溫度，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為24小時(shí)時(shí)合金的Ms溫度達(dá)到132℃，滿足高溫形狀記憶合金對(duì)相變溫度的要求，時(shí)效處理還能夠降低合金的熱滯并在一定程度上提高合金的循環(huán)穩(wěn)定性。硬度結(jié)果表明時(shí)效析出對(duì)合金有顯著的強(qiáng)化效