化學(xué)成分對鐵錳硅合金形狀記憶效應(yīng)的影響

1、化學(xué)成分對鐵錳硅合金形狀記憶效應(yīng)的影響孫廣平李建忱趙明蔣青宋玉泉(吉林工業(yè)大學(xué))摘要研究了三種不同成分的鐵錳硅形狀記憶合金。結(jié)果表明，合金Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni具有較好的形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)訓(xùn)練后，在預(yù)變形為4 %9 %范圍內(nèi)，相對應(yīng)變回復(fù)率可提高40 %左右，絕對應(yīng)變回復(fù)率可達6.2 %。關(guān)鍵詞鐵錳硅合金形狀記憶效應(yīng)化學(xué)成分EFFECT OF CHEMICAL COMPOSITION ON SHAPE MEMORYOF FeMnSi SHAPE MEMORY ALLOYSUN GuangpingLI JianchenZHAO MingJIANG QingSONG Yuquan(J

2、ilin University of Technology)ABSTRACTThree Fe-Mn-Si shape memory alloys have been studied.The results show that alloy-3 have good shape memory effect.By training,in the pre-strain range 4 %9 %,the relative recovery strain can be increased by 40 %,the absolute recovery strain can reach 6.2 %.The opt

3、imum composition of the alloy is Fe14Mn6Si9Ci5NiKEY WORDSFeMnSi alloy,shape memory effect,chemical composition自從Sato等人在鐵錳硅合金中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)1以來，該合金迅速成為人們研究的一個熱點，它的主要特點是價格低廉，機械加工性能好。其形狀記憶效應(yīng)的機制不同于其它形狀記憶合金2，3，是由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的逆轉(zhuǎn)變引起的。這類合金中，應(yīng)用前景較好、形狀記憶效應(yīng)較穩(wěn)定的是鐵錳硅鉻鎳系合金。其特點是反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度低，在室溫下存在降溫馬氏體，且耐腐蝕等。然而在工業(yè)應(yīng)用中所遇到的一些問題，如

4、合金的化學(xué)成分對形狀記憶效應(yīng)的影響、提高形狀記憶效應(yīng)的訓(xùn)練方法；絕對應(yīng)變回復(fù)率的提高等，尚未取得一致見解。為此，本文對上述幾方面問題進行了探討和分析。1試驗方法及成分設(shè)計1.1試驗方法試驗合金采用工業(yè)純金屬配制，在真空感應(yīng)電爐中熔煉。鑄錠經(jīng)1100 熱軋成8 mm厚板材，然后進行1200 8 h均勻化固溶處理，切割成80 mm8 mm1.0 mm的試樣，用于測試形狀記憶效應(yīng)。預(yù)變形采用彎曲變形，將試樣圍繞直徑為d的圓柱彎曲180。預(yù)變形量(p)t/d100 %，式中，t為試樣厚度/mm；d為圓柱直徑/mm。合金的形狀記憶效應(yīng)可用幾個指標來衡量：相對應(yīng)變回復(fù)率(fsme)，絕對應(yīng)變回復(fù)率()，相

5、對超彈性應(yīng)變(se)(包括線彈性應(yīng)變)。它們的表達式分別為fsmem/(180-e)100 %fsmepseep/180式中，m為回復(fù)退火前后的角度差；e為彎曲變形卸載前后的角度差。在室溫下將試樣進行彎曲變形(預(yù)變形)，然后在600 進行回復(fù)退火處理0.5 h，這時試樣產(chǎn)生了回復(fù)變形，再在室溫下將試樣矯直為原始直線狀，用夾具壓制保持其直線狀在600 保溫1 h后空冷至室溫。該過程稱為一次訓(xùn)練。1.2合金的成分設(shè)計根據(jù)文獻15，為了獲得較好的形狀記憶效應(yīng)，一般應(yīng)滿足下列條件。(1) 反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度(Tn)應(yīng)遠低于馬氏體轉(zhuǎn)變開始點Ms。這樣有利于降低鐵基形狀記憶合金中奧氏體的穩(wěn)定性，從而便于應(yīng)力誘

6、發(fā)馬氏體的形成。(2) 奧氏體應(yīng)有較高的強度，較低的層錯能。這樣有利于合金在較小的變形應(yīng)力下形成應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，而塑性變形(真實塑性變形)所必需的位錯運動則較難進行。(3) 應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的晶格常數(shù)c/a軸比應(yīng)接近8/3，以使奧氏體容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。(4) Ms點在室溫附近。合金只發(fā)生轉(zhuǎn)變，而不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因為馬氏體不具有形狀記憶效應(yīng)。上述條件均可通過改變化學(xué)成分來加以改善和調(diào)整。錳可以降低Ms，而提高Tn6。硅能降低Tn和奧氏體的層錯能6，但其含量一般不超過6 %，因為硅含量過高將導(dǎo)致合金性能變脆，惡化合金的機械加工性能。通過硅和錳含量的合理搭配，可以調(diào)整Tn和Ms?？紤]到工業(yè)應(yīng)用所需的

7、耐腐蝕性，加入一定量的鉻和鎳來改善耐腐蝕性能。并且鉻可以降低Ms和Tn。為了獲得適當(dāng)?shù)腗s，加入鉻的同時，要適當(dāng)降低錳量。為避免由于鉻的加入所引起的硬脆相的出現(xiàn)，需要加入適當(dāng)?shù)逆?。加入鈷可以降低層錯能和Tn4，但鈷對提高奧氏體強度不利。根據(jù)以上分析，本試驗共設(shè)計了三種不同成分的合金。合金化學(xué)成分見表1。2試驗結(jié)果及分析2.1合金成分對形狀記憶效應(yīng)的影響表 1試樣的化學(xué)成分%Table 1Chemical composition of alloys%編號MnSiCrNiCoCSPFe合金118.35.767.607.200.020.0030.003余量合金215.55.898.556.244.9

8、00.020.0030.003余量合金314.45.878.735.010.020.0030.003余量圖 1不同成分合金的相對應(yīng)變回復(fù)率的變化曲線Fig.1The fsme versus composition圖1為設(shè)計的三種成分合金相對應(yīng)變回復(fù)率(fsme)與預(yù)變形量(p)之間的變化曲線?？梢?，三種成分合金的fsme均隨p的增加而下降。其中合金2的fsme最低，合金1次之，合金3具有最佳的fsme。含有5 %Co的合金2，不能提高合金的形狀記憶效應(yīng)。合金1和2中鎳含量較高，導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)降低。根據(jù)以上結(jié)果，可以將合金成分對形狀記憶效應(yīng)的影響作初步的分析。由于鈷元素不能提高奧氏體的強度，雖

9、然它能降低奧氏體的層錯能，但又因硅強烈地降低合金層錯能的作用，使得鈷降低層錯能的作用甚微，因此含有5 %Co的合金2并不能提高合金的形狀記憶效應(yīng)。含有鉻的合金中，必須加入鎳以避免相的析出，但鎳元素具有穩(wěn)定奧氏體并降低Ms點和增加層錯能7的作用，故不利于提高合金的形狀記憶效應(yīng)，因此，鎳含量較高的合金1和2，其形狀記憶效應(yīng)均較低。錳含量的變化，將改變Ms，導(dǎo)致降溫馬氏體數(shù)量的不同。Inagaki指出3，只有一端聯(lián)接在晶界上或者聯(lián)接在已存在的馬氏體上的層錯，才能在應(yīng)力作用下擴展和在加熱時收縮，從而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。因此室溫下已存在的馬氏體可以起到兩方面的作用，一是可以像晶界一樣提供更多的應(yīng)力誘發(fā)馬氏

10、體的形核部位，使得產(chǎn)生更多的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體；另一方面又可以避免shockley不全位錯的長程移動，從而避免不同的shockley不全位錯的交割，而這種交割使shockley不全位錯在加熱時不能完全回復(fù)，因而對形狀記憶效應(yīng)不利。合金3的形狀記憶效應(yīng)較高，原因之一就是錳含量較低，Ms相對較高，室溫下存在少量降溫馬氏體8。2.2熱機械訓(xùn)練對合金形狀記憶效應(yīng)的影響圖2為合金3訓(xùn)練后的fsme變化曲線。經(jīng)過訓(xùn)練后，fsme均有不同程度的提高，尤其在p為4 %9 %范圍內(nèi)，fsme提高幅度較大，達到40 %左右。同時還可以看到，經(jīng)三次訓(xùn)練后，fsme有下降的趨勢。圖 2合金3經(jīng)訓(xùn)練后的fsme的變化曲線F

11、ig.2The fsme of alloy-3 after training訓(xùn)練同樣也提高了合金1和2的形狀記憶效應(yīng)，但仍低于合金3。圖3為合金1和3經(jīng)兩次訓(xùn)練后的絕對應(yīng)變回復(fù)率()和相對超彈性應(yīng)變(se)的變化曲線。合金1的低于合金3，而se與合金3的相差不大。當(dāng)p為9 %時，合金3的和se均出現(xiàn)極大值，分別為6.2 %和0.99 %，而合金1的和se變化卻與合金3不同，只隨p增加而緩慢提高。對比圖13可知，p較小時，fsme較高，但其有限。當(dāng)p為9 %時，出現(xiàn)極大值，為6.2 %。在高的p條件下，雖然出現(xiàn)層錯間的交互作用和位錯移動而導(dǎo)致真實塑性變形，但增加，這一點對工業(yè)應(yīng)用將是十分重要的。

12、從工業(yè)應(yīng)用的角度出發(fā)，小變形時對應(yīng)的高的形狀記憶效應(yīng)并不很實用，而對工業(yè)應(yīng)用有實際意義的圖 3合金1和3經(jīng)兩次訓(xùn)練后的和se的變化曲線Fig.3Th and se of alloy-1 and alloy-3 after twice training還是獲得高的絕對應(yīng)變回復(fù)率。為了分析訓(xùn)練對形狀記憶效應(yīng)的影響，進行了金相觀察，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后的合金3中出現(xiàn)了較多的第二相和殘余的馬氏體，而在相同條件下，合金2的馬氏體較少，合金1中未發(fā)現(xiàn)馬氏體。通過磁性測量表明，合金3在3次訓(xùn)練后出現(xiàn)了鐵磁性的馬氏體，6次訓(xùn)練后，數(shù)量更多，而此時的fsme則降低到未訓(xùn)練前的水平。其它兩種合金經(jīng)訓(xùn)練后的數(shù)量相對較少。據(jù)筆

13、者分析，訓(xùn)練提高形狀記憶效應(yīng)的原因在于訓(xùn)練過程中的600 退火，為某種馬氏體變體提供了更有效的形核部位，使之在預(yù)變形時產(chǎn)生更多的且位向一致的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，這種位向一致的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體在回復(fù)退火時發(fā)生轉(zhuǎn)變，能充分發(fā)揮形狀回復(fù)的效果，從而提高形狀記憶效應(yīng)。而隨訓(xùn)練次數(shù)增多，組織中開始出現(xiàn)馬氏體，導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)開始下降。3結(jié)論(1) Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni合金具有較好的形狀記憶效應(yīng)，其絕對應(yīng)變回復(fù)率可達6.2 %。(2) 訓(xùn)練可提高形狀記憶效應(yīng)40 %左右(在p為4 %9 %范圍內(nèi))，但訓(xùn)練次數(shù)超過2次，形狀記憶效應(yīng)將開始下降。參考文獻1Sato A,Chishima E,Yam

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