Ti-Ni基形狀記憶合金中弛豫行為的微觀機制研究.pdf

1、阻尼性能是 Ti-Ni基形狀記憶合金除形狀記憶效應與超彈性以外的又一項重要力學性能，已經廣泛應用于交通、建筑、機械、潛艇等領域以起到防振減噪的作用。Ti-Ni形狀記憶合金的阻尼內耗值一般在0.02左右，進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。相比于馬氏體相變內耗，弛豫型內耗具有峰值穩(wěn)定，受升降溫速率影響小的優(yōu)點，通過引入弛豫型內耗有望進一步提高Ti-Ni基形狀記憶合金的阻尼性能。此外，弛豫型內耗常與材料中的缺陷有關，研究

2、材料的弛豫行為有助于理解缺陷對材料相變、力學、結構衍化等行為的影響。
　　Ti-Ni基形狀記憶合金中兩種代表性的弛豫型內耗包括孿晶與氫相互作用弛豫峰（PTWH），非正常馬氏體轉變合金中的“應變玻璃凍結”弛豫峰。其中PTWH峰是一個寬泛的弛豫峰，其寬泛機制目前尚不清楚，如何調控PTWH峰的強度與峰位也缺乏系統(tǒng)的研究。對于“應變玻璃凍結”弛豫峰則還存在著“應變玻璃凍結”以及“預馬氏體滯彈性弛豫”等觀點的爭議。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導。本文的目的就是希望結合內耗與微觀結構表征的方法來揭示Ti-N i基形狀記憶合金中PTWH峰，“應變玻璃凍結”弛豫峰和高溫弛豫三方面弛豫行為的微觀機制。本文的主要研究內容及取得的主要結果如下：
　　1、研究了氫含量對Ti50Ni30Cu20合金弛豫行為的影響規(guī)律，并結合微觀結構表征研究該弛豫峰的寬化機制，最后研究了氫對合金相變與拉伸力學行為的影響。結果表明當Ti50Ni30Cu20合金中的氫含量在

4、30ppm左右時，合金在室溫附近顯示出寬溫域、高阻尼特性，弛豫內耗最高值達到0.16。過高的氫含量也會降低 PTWH峰的強度與溫寬，研究還發(fā)現對含氫樣品在開放環(huán)境中退火時，退火溫度越高，合金中的氫含量越低，并且存在一個臨界退火溫度（993 K附近），高于這一溫度退火將使PTWH峰完全消失。TEM結果表明，Ti50Ni30Cu20合金中存在{011}復合孿晶與{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Ti50Ni30Cu20合金相變與拉伸性能影響的結果表明：隨著氫含量的提高，B2-B19相變的轉變焓降低，合金延伸率下降，臨界去孿生應力上升。室溫時效處理過后，合金相變溫度略向低溫偏移，室溫時效過后，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)合作用是氫產生上述影響的主要原因。
　　2、研究了氫含量對Ti50Ni44Fe6合金低溫弛豫行為的影響。Ti50Ni44Fe6合金被認為是典型的發(fā)生

6、“應變玻璃轉變”的合金。研究發(fā)現：在去氫的Ti50Ni44Fe6合金樣品中沒有觀察到所謂的低溫“應變玻璃凍結”弛豫峰，而在含適量氫的合金中能夠觀察到“應變玻璃凍結”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公式進行擬合。用Arrhenius公式擬合得到該弛豫峰的激活參數為：Ea=0.58±0.02 eV,τ0=1.27×10-18 s。在低于這一內耗峰的溫度，氫會降低合金的內耗值。上

7、述結果證實氫是導致Ti50Ni44Fe6合金中低溫內耗峰（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，進而采用等溫內耗與 DSC的方法研究了合金的時效析出過程。結果表明：Ni50.3Ti29.7Zr20合金在787 K附近存在一個弛豫型內耗峰P1（0.5 Hz）

8、，這一內耗峰所在的溫度位于時效H相（文獻中對該合金中一種富 Ni型析出的稱呼）形成的溫度范圍內。P1峰的激活參數為：Hact=1.48±0.02 eV，τ0=7.6×10-10 s，且P1具有點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類似的內耗峰，但峰溫與峰強低于三元Ni50.3Ti29.7Zr20合金。根據上述特征提出Ni原子的短距離擴散Zener峰機制解釋P1峰的來源。原位等溫時效力學譜表明，合金動態(tài)模

9、量隨著時效時間的延長而升高，反映了時效析出對合金的強化作用，而且時效溫度越高，內耗達到穩(wěn)定水平所需時間越短。TEM結果表明500℃時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結果表明，時效析出顯著提高了合金的相變溫度，當時效時間為24小時時合金的Ms溫度達到132℃，滿足高溫形狀記憶合金對相變溫度的要求，時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。硬度結果表明時效析出對合金有顯著的強化效