NiTi形状记忆合金热变形行为研究

2020-08-04 10:20:06钟益平

世界有色金属 2020年8期

钟益平

（上海云铸三维科技有限公司，上海 200000）

形状记忆合金是一种特殊的金属材料，其在具备金属特性的同时还具有形状记忆效应，被公认为是金属基功能材料的典型代表[1，2]。因此，该类型合金应用十分广泛，其中包括航天飞机天线、载人飞船轴承、微创手术刀、人造关节、新能源汽车等。NiTi形状记忆合金作为新型金属功能材料，目前发展极为迅速。但是，现阶段研究结果发现，该体系的合金强度与硬度尚需要一定的提升空间。为此国内外学者通过对合金成分的调整、添加新的合金元素，力求提高其力学性能。但是，随着强度和硬度的提高，该合金出现了热变形困难的问题，严重制约了该体系合金的应用[3，4]。基于此，本文对NiTi形状记忆合金的热变形行为进行了研究，揭示了工艺参数对m值、Q值的影响规律，建立了变形本构方程。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本研究中的材料为通过多次真空熔炼的NiTi合金铸锭，名义成分如表1所示。

表1 NiTi形状记忆合金名义成分（质量分数，%）

1.2 实验方法

实验设备及工艺如表2所示。

表2 实验设备及工艺

2 实验结果分析与讨论

2.1 应力-应变曲线

图1 NiTi合金真应力应变曲线

图1为NiTi形状记忆合金800℃、900℃下不同应变速率（0.005-10s-1），变形量为0.7时的应力应变曲线。从图中可以看出，随着应变应变速率的增加该合金的峰值流变应力、稳态流变应力均增大，且变化规律较为相似。对于金属材料而言应力-应变曲线是其热变形加工过程变形抗力变化特征的体现。该合金热变形抗力的变化趋势为先迅速增大，达到峰值后下降，然后有一段微小的上浮波动，但总体为降低趋势，直至达到稳定状态。流变应力的变化是由于合金在热变形过程中发生了位错运动与微观组织转变，位错缠结导致应力上升，晶界滑移与动态再结晶使得应力下降。

2.2 应变速率敏感性指数（m）

应变速率敏感性指数（m）是衡量金属材料热成形性能好坏的重要参数之一，m值越大成形性能越好，当m值大于0.3时，材料具备超塑性成形性能。另外，m值还能直观的表征应变速率对材料加工性能的影响。

图2为NiTi形状记忆合金应变速率έ与流变应力σ之间的关系曲线，图中直线的斜率即为m值，计算结果如表3所示。

图2 NiTi合金真应力应变曲线

表3 NiTi合金的应变速率敏感性指数（m）

从表3中可以看出，NiTi合金不同热变形工艺条件下的m值在0.15-0.24之间，m值小于0.3，该合金在上述变形条件下不具备超塑性。

m值的变化规律呈现随着温度的升高先增大后减小的趋势，在1000℃时达到最大值，为0.25。当温度升高至1100℃时，m值略下降，相比于800℃以下温度，提高温度有利于该合金的热变形。但是，在工艺制定时还需要考虑微观组织稳定性因素，变形温度过高会导致晶粒尺寸长大，造成组织不稳定。

2.3 变形激活能（Q）

金属材料热变形过程的物理本质是能量的耗散与再分配过程，无论是位错运动还是组织转变都要经历能量的变化。因此变形激活能（Q）值能够真实的反应材料热变形机理。

图 3、图 4分别为 NiTi合金 lnέ-ln[sinh(ασ)]与ln[sinh(ασ)]-1/T的变化曲线。

图3 lnέ-ln[sinh(ασ)]关系曲线

图4 ln[sinh(ασ)]与1/T的关系

将图3、图4中的斜率带入下式中，计算该合金的热变形激活能，Q=287.28kJ/mol。

2.4 本构方程

金属材料热变形过程通常遵循Arrhennius方程，如下所示：

式中，έ-应变速率，σ-流变应力，Q-激活能，其余参数均为常数（与温度无关），对上式进行数学变换可得：

取图5（a）中各直线斜率的平均值，得n1=4.93；取图3.6（b）中各直线斜率的平均值得β=0.02038，所以α=β/n1=0.0041。根据Zener-Holloman参数（Z）模型，绘制lnZ-ln[sinh(ασ)]关系曲线，如图5所示。通过计算可得n=3.63493，A=e26.43151。