鍛態(tài)Ni60Ti合金普通時(shí)效處理中的氧化行為研究開題報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目：鍛態(tài)Ni60Ti合金普通時(shí)效處理中的氧化行為研究專業(yè)名稱: 材料成型及控制工程 班級(jí)學(xué)號(hào): 學(xué)生姓名: 姜鈺榮 指導(dǎo)老師: 魯世強(qiáng) 填表日期 2014 年 4 月 6 日目 錄一 選題的依據(jù)、意義及目的：(1)二 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)(1)2.1 國內(nèi)外NiTi合金的研究概況(1)2.2 國內(nèi)外TiNi合金的發(fā)展趨勢(shì)(2)2.3 NiTi合金氧化行為研究現(xiàn)狀(3)三 研究內(nèi)容及研究方案(4)3.1研究內(nèi)容(4)3.2研究方案(5)四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度(5)4.1目標(biāo)(5)4.2主要特色(5)4.3工作進(jìn)度(5)參考文獻(xiàn)(5)1 選題的依據(jù)、意義及目的：形狀記憶

2、合金(Shape Memory Alloy,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect,SME)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動(dòng)于一體的智能材料,因其功能獨(dú)特,可以制作小巧玲瓏、高度自動(dòng)化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用1。NiTi形狀記憶合金是目前所有形狀記憶合金中應(yīng)用最早，研究最充分，性能最可靠的一種形狀記憶合金，已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、建筑等工程領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)

3、領(lǐng)域2-5。隨著NiTi合金（以下統(tǒng)指NiTi形狀記憶合金）在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展,人們也迫切地希望深入地了解其更為詳細(xì)的特點(diǎn)和性能。然而，由于其應(yīng)用正變得普遍，更需要知道關(guān)于它在高溫環(huán)境中的氧化行為對(duì)材料力學(xué)性能的影響，在前人對(duì)NiTi合金所進(jìn)行的各項(xiàng)研究中，關(guān)于NiTi形狀記憶合金氧化行為方向的研究還不是很多。Ni60Ti合金氧化行為的數(shù)據(jù)很少,Ni60Ti合金的氧化機(jī)制也不能很好地理解。加熱工藝參數(shù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供理論預(yù)測(cè)指導(dǎo)，因此我們更需要知道鍛態(tài)Ni60Ti合金在不同加熱溫度下的氧化行為。如今NiTi合金已廣泛用于航空航天、核能海洋工程等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件中，所以去了解NiTi合金的氧

4、化行為是很有意義的，例如NiTi合金氧化層的成分對(duì)其抗氧化性的影響等。本課題將通過對(duì)鍛態(tài)Ni60Ti合金進(jìn)行普通時(shí)效處理來研究其氧化行為，一方面分析加熱工藝參數(shù)對(duì)合金氧化層厚度和重量變化的影響規(guī)律以及氧化層相的組成成分，另一方面分析加熱工藝參數(shù)對(duì)基體組織晶粒尺寸以及硬度變化的影響規(guī)律。希望通過本課題的研究能進(jìn)一步了解鍛態(tài)Ni60Ti合金的高溫氧化行為，所得分析結(jié)果能對(duì)其實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)2.1國內(nèi)外NiTi合金的研究概況在金屬中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)最早可追溯到20世紀(jì)30年代。1938年,美國的Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬

5、氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變。隨后,前蘇聯(lián)的Kurdiumov對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了研究。1951年,Chang和Read在Au-47.5at%Cd合金中用光學(xué)顯微鏡觀察到馬氏體界面隨溫度的變化而發(fā)生遷動(dòng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報(bào)道。數(shù)年后,Burkhart在In-Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時(shí),這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個(gè)別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直到1963年,美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室的Buehler等人發(fā)現(xiàn)等原子比的Ti-Ni合金具有優(yōu)良的形狀記憶功能,并成功研制出具有實(shí)用價(jià)值的形狀記憶合金“Niti-nol”以后,才引起了人們的廣泛興趣,對(duì)形狀記憶合金的研究從此進(jìn)入了一個(gè)

6、新的階段7。1969年,Raychem公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國F14戰(zhàn)斗機(jī)上;1970年,美國將TiNi記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵(lì)了國際上對(duì)形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀(jì)70年代,相繼開發(fā)出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形狀記憶合金;80年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金,由于其成本低廉、加工簡(jiǎn)便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90年代至今,高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點(diǎn)8。從SMA的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史,美國、日本等國家對(duì)SMA的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟,同

7、時(shí)也較早地實(shí)現(xiàn)了SMA的產(chǎn)業(yè)化。我國從1977年開始Ti-Ni合金研究,已有20多年的歷史。研究單位包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京有色金屬研究總院、上海鋼研所、天津冶金材料研究所、西北有色金屬研究院、大連理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等幾十個(gè)單位和院校。研究可大致分為三個(gè)階段:(1)1978年1986年,主要從事形狀記憶效應(yīng)、超彈性、生物相容性等基礎(chǔ)研究,取得了很多科研成果,為以后的應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ);(2)1987年1997年,主要開展應(yīng)用研究,材料的研制單位和應(yīng)用單位加強(qiáng)聯(lián)合,開發(fā)實(shí)用化技術(shù),生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟,產(chǎn)品性能趨于穩(wěn)定,產(chǎn)量提高,尤其是深加工技術(shù)得到明顯改進(jìn),產(chǎn)業(yè)化條件日趨成熟;(

8、3)1998年至今,市場(chǎng)已經(jīng)形成,并很快吸引了一批綜合實(shí)力優(yōu)越的公司開始專業(yè)化生產(chǎn)9。2.2國內(nèi)外TiNi合金的發(fā)展趨勢(shì)NiTi合金自問世以來,經(jīng)國內(nèi)外專家和學(xué)者30多年的潛心研究和開發(fā),已經(jīng)從實(shí)用化走向商品化,市場(chǎng)已初具規(guī)模,一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)正在形成。NiTi合金因?yàn)榧嬗袦囟葌鞲衅骱万?qū)動(dòng)器一箭雙雕的效果,所以用其制造器 件可達(dá)到省力、節(jié)能、節(jié)省空間、降低成本的目的,其用途也是極其廣泛的。在美國以飛機(jī)、艦艇等軍事裝備為主在航空和航天技術(shù)上最早得到實(shí)用,并已推廣用于高科技和民用產(chǎn)品上。在俄羅斯、德國和法國其應(yīng)用已遍及機(jī)械、冶金、礦山直到醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域。在日本則以家用電器為主,廣泛用于日用工業(yè)品

9、生產(chǎn)。目前付諸實(shí)用的形狀記憶合金,主要是鎳鈦系合金和一部分銅鋅鋁系合金。今后將著重于開發(fā)更為廉價(jià)和節(jié)省鎳、鈦資源的實(shí)用性合金,特別是鐵基形狀記憶合金作為單向性形狀記憶合金用作連接件之類結(jié)構(gòu)材料是有發(fā)展前途的。還將致力于開發(fā)使用溫度范圍更寬、疲勞壽命好、變形回復(fù)量大的合金,以及形狀記憶效應(yīng)發(fā)生應(yīng)力大、加工性等特性進(jìn)一步改善的新型合金。我國擁有良好的鎳鈦資源條件,且形狀記憶合金應(yīng)用大多為小型制品,用量都不太大。因此,在我國更有利于發(fā)展這類材料,為國防現(xiàn)代化和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。2.3NiTi合金氧化行為研究現(xiàn)狀根據(jù)新型Crl9Ni28Ti合金在700、800和900下高溫氧化后表面的XRD圖。合金7

10、00得到的氧化膜主要成分是基體合金和Cr203，還有少量Mnl.5Crl.5O4和Fe(Ni)Cr204的峰。當(dāng)溫度升高到800時(shí)，光譜中出現(xiàn)了Fe2.95Si0.05O4的峰，并且基體的峰明顯減弱，而Cr203的峰增強(qiáng)。900時(shí)基體峰值減弱得更加明顯，增加了TiO2的峰。900氧化仍能檢測(cè)到基體峰。說明該合金產(chǎn)生的氧化膜非常薄，抗氧化性能好。這主要是因?yàn)楦邷匮趸闪酥旅艿谋Ｗo(hù)性Cr203膜和Mn、Cr、Fe的復(fù)合氧化物10。姜飛11采用DSC測(cè)試來分析了NITi合金的相變溫度,相變潛熱和相變順序從而得到富Ni的NITi合金在不同時(shí)效條件下的相變行為；經(jīng)對(duì)NITi合金進(jìn)行普通時(shí)效處理,研究了

11、普通時(shí)效對(duì)相變行為的影響研究結(jié)果表明，不同的時(shí)效溫度處理NITi合金具有不同的相變行為和相變順序其次采用Instron3365電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同時(shí)效態(tài)的NITi合金進(jìn)行循環(huán)力學(xué)測(cè)試，綜合分析了時(shí)效溫度及拉伸溫度對(duì)NITi合金力學(xué)行為的影響研究結(jié)果表明:在相同的拉伸溫度下，經(jīng)不同的時(shí)效溫度處理的NITi合金試樣有不同的拉伸行為;分別表現(xiàn)為:超彈性、部分超彈性和形狀記憶效應(yīng)。在不同拉伸溫度下,隨著拉伸溫度的升高,NITi合金需要更大的應(yīng)力去誘發(fā)馬氏體相變。當(dāng)拉伸溫度上升到一定值時(shí),NITi合金超彈性消失。最后,文中采用XRD來分析NITi合金不同時(shí)效狀態(tài)有不同的析出物的種類。結(jié)果表明,當(dāng)時(shí)效溫

12、度在833K以下析出相是Ni4Ti3,當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到833K一923K時(shí)析出物是Ni3Ti2,923K一1O00K時(shí)效溫度時(shí)的析出物是Ni3Ti,當(dāng)時(shí)效溫度高于1000K合金中無析出物產(chǎn)生。C.L. Chu等12用熱重分析研究了近等原子比NiTi形狀記憶合金在5501000的干燥空氣中的等溫氧化行為。利用X-射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）和電子探針顯微分析對(duì)合金的氧化層進(jìn)行深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多分層的組成包括了最外的金紅石層、中間的由TiO2與Ni(Ti)相混合的多孔層，以及最內(nèi)薄的TiNi3層。并且，在TiNi3界面中間層呈現(xiàn)出條紋狀的層狀結(jié)構(gòu)。NiTi形狀記憶合金氧化的表

13、觀活化能為226kJ/mol，而且氧化速度符合拋物線規(guī)律。提出NiTi形狀記憶合金氧化機(jī)制的原理用來解釋所觀察到的結(jié)果。高智勇等13采用動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)、透射電鏡(TEM)和示差掃描量熱分析儀（DSC）等手段，系統(tǒng)地研究了時(shí)效處理對(duì) TiNi 合金阻尼行為的影響規(guī)律及其微觀機(jī)制。結(jié)果表明，第二相粒子對(duì)合金阻尼行為具有不同的影響。細(xì)小、彌散的 Ti3Ni4相提高了 TiNi 合金相變過程中馬氏體的阻尼值，粗片狀的 Ti3Ni4相對(duì)阻尼行為的影響較小。李崇劍等14研究Ti-5018%Ni形狀記憶合金絲在-50e110e的力學(xué)性能以及力學(xué)性能、殘余應(yīng)變、屈服平臺(tái)與溫度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,在

14、不同溫度下,材料表現(xiàn)出不同的力學(xué)特征, 10e以上材料表現(xiàn)出超彈性,但當(dāng)溫度達(dá)到110e以上時(shí),超彈性消失。10e以下,材料表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。10e左右時(shí),應(yīng)力誘發(fā)馬氏體達(dá)到最大量,最大可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?15%,此時(shí)屈服平臺(tái)最寬,殘余應(yīng)變最小,超彈性最好。隨著溫度和應(yīng)力的增加,不可逆塑性變形的比值增加,超彈性變形逐漸減弱以至消失。3 研究內(nèi)容及研究方案3.1研究內(nèi)容（1）分析中溫時(shí)效處理鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣重量的增加、厚度影響規(guī)律；（2）分析鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣氧化皮的組成物、相成分；（3）觀察鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣基體組織變化并分析其演變規(guī)律；（4）進(jìn)行去除氧化皮后的鍛態(tài)Ni60Ti

15、合金試樣硬度測(cè)試 。3.2研究方案（1）利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出試樣重量的增加與氧化時(shí)間的關(guān)系曲線，分析氧化時(shí)間對(duì)試樣重量的增加的影響；（2）利用XRD觀測(cè)氧化表面、氧化皮的組成相和組織；（3）利用金相顯微鏡和SEM觀察氧化試樣的橫截面和基體組織形貌；（4）利用硬度計(jì)測(cè)試去除氧化皮后的鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣硬度。4 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1目標(biāo)利用中溫時(shí)效處理對(duì)鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣氧化層重量的增加、厚度的變化影響規(guī)律 、合金試樣氧化層相的成分、時(shí)效處理對(duì)Ni60Ti合金晶粒尺寸的影響規(guī)律以及去除氧化皮后的鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣硬度去了解合金在普通時(shí)效中的氧化行為。4.2主要特色本課題通過

16、對(duì)鍛態(tài)Ni60Ti合金表面氧化層的相組成的觀察、對(duì)合金表面氧化層的厚度、硬度的測(cè)量以及去除氧化層后，合金表面的顯微硬度的測(cè)量來研究合金時(shí)效處理中的氧化行為。4.3工作進(jìn)度1、收集和閱讀相關(guān)資料，熟悉課題背景 2014.03.09-03.222、撰寫開題報(bào)告，翻譯外文文獻(xiàn)一篇 2014.03.23-04.063、進(jìn)行鍛態(tài)Ni60Ti合金的普通時(shí)效實(shí)驗(yàn) 2014.04.07-05.164、撰寫畢業(yè)論文 2014.05.06-06.165、答辯參考文獻(xiàn)1 肖恩忠，形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).2 Zhao L C，Cai W，Zheng Y F Shape Memory Effect and S

17、upe-relasticity in Alloys M Beijing: National Defence Industry Press，2002 3523 Kazuhiro Otsuka，Ren Xiaobing Recent development in the research of shape memory alloysJ Intermetallics，1999，7( 5) :5114 Zheng H，Zhu Z ANiTi shape memory alloy and orthopaedics application J International Journal of Orthop

18、aedics，2006，27( 4) : 2265 Liu K Y，Lei Y C，Cai W，Zhao L C The investigation progress on TiNi shape memory alloy J Materials Research and Application，2007，1( 2) : 866 炎彬，游碧龍循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)帽合金的組織及抗高溫氧化性能研究J功能材料，2012，43(8)：10681072.7 楊大智. 智能材料與智能系統(tǒng). 天津: 天津大學(xué)出版社,，2000.8 王 輝,陳再良.形狀記憶合金材料的應(yīng)用.機(jī)械工程材料，2002，26(3): 58.9 劉禮華，楊 恒等.鎳鈦形狀記憶合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀.新材料產(chǎn)業(yè)，2002，(8): 2932.10 鄭玉峰.形狀記憶合金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與展望.新材料產(chǎn)業(yè)，2001(5): 1618.11 姜飛. 時(shí)效對(duì)富Ni的NITi合金相變和力學(xué)行為的影響. 工學(xué)碩士學(xué)位論文，哈爾濱工程大學(xué).12 C.L. Chu, S.K. Wu*, Y.C. Yen .Oxidat