【摘要】：鎳鈦形狀記憶合金因其優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)和超彈性被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。鎳鈦形狀記憶合金的力學(xué)性能和相變行為對(duì)元素成分敏感,在合金中加入其它元素形成的新型鎳鈦基形狀記憶合金已經(jīng)成為形狀記憶合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中,鎳鈦鐵形狀記憶合金因其優(yōu)良的力學(xué)性能、較低的馬氏體相變溫度和高溫奧氏體穩(wěn)定性,作為緊固件和密封件的首選材料被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。在二元鎳鈦形狀記憶合金中加入鐵原子替代鎳原子的位置能夠提高奧氏體的穩(wěn)定性,抑制馬氏體相變,從而降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)形狀記憶合金應(yīng)用的要求越來(lái)越多樣化,在三元鎳鈦基形狀記憶合金中加入第四種合金元素來(lái)改變形狀記憶合金的相變行為和力學(xué)性能逐漸成為新興的研究熱點(diǎn)。本文基于鎳鈦鐵形狀記憶合金研究第四元合金元素對(duì)鎳鈦基形狀記憶合金微觀組織、相變行為和力學(xué)性能的影響。塑性加工一直是鎳鈦基形狀記憶合金的重要成形手段,冷加工變形以及塑性變形后的熱處理過(guò)程能夠改善形狀記憶合金的力學(xué)性能,改變形狀記憶合金的微觀組織和相變行為。平面應(yīng)變變形是塑性加工中一種常見(jiàn)的力學(xué)狀態(tài),被廣泛的應(yīng)用于金屬流動(dòng)和組織演變的研究。本文通過(guò)等通道壓縮模型準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)鎳鈦鐵形狀記憶合金的平面應(yīng)變大塑性變形,并對(duì)變形后的試樣分別進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶退火處理,結(jié)合晶體塑性有限元法(CPFEM)、透射電子顯微鏡技術(shù)(TEM)、電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)和差式掃描量熱法(DSC),研究不同平面應(yīng)變變形量和熱處理過(guò)程對(duì)鎳鈦鐵形狀記憶合金微觀組織、變形織構(gòu)和相變行為的影響,揭示了鎳鈦鐵形狀記憶合金平面應(yīng)變塑性變形機(jī)理,為鎳鈦鐵形狀記憶合金塑性加工成形提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。本課題具體研究成果如下。鎳鈦鐵形狀記憶合金的相變行為和力學(xué)性能對(duì)元素成分敏感,本文在鎳鈦鐵形狀記憶合金的基礎(chǔ)上分別加入鉭元素和鈮元素研究第四元合金元素的加入對(duì)鎳鈦鐵形狀記憶合金性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在鎳鈦鐵形狀記憶合金中添加鉭元素和鈮元素能夠顯著提高合金的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度,同時(shí)也會(huì)降低合金的塑性。鉭和鈮元素的添加不會(huì)改變鎳鈦鐵形狀記憶合金的相變路徑,但是會(huì)影響其相變溫度。平面應(yīng)變壓縮變形后的透射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在平面應(yīng)變壓縮變形量為10%和30%時(shí),基體中都出現(xiàn)了應(yīng)變誘發(fā)馬氏體;在變形量為30%和50%時(shí),基體中出現(xiàn)了納米晶相;在變形量為50%時(shí),基體中出現(xiàn)了大塊的非晶相。結(jié)合TEM和EBSD結(jié)果可知,晶粒細(xì)化是導(dǎo)致變形基體中出現(xiàn)納米晶和非晶相的主要原因,亞晶界和晶界的形成是晶粒細(xì)化的重要機(jī)制�；阪団佽F形狀記憶合金平面應(yīng)變壓縮變形后不同的微觀組織,提出了相應(yīng)的再結(jié)晶機(jī)制,并研究不同變形量對(duì)再結(jié)晶微觀組織的影響。鎳鈦鐵形狀記憶合金的相變行為和相變溫度對(duì)奧氏體晶粒尺寸十分敏感。DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,微觀組織和晶粒尺寸分布對(duì)鎳鈦鐵形狀記憶合金的相變行為和相變溫度具有十分重要的影響。晶體塑性本構(gòu)理論與有限元法的結(jié)合使晶體塑性模型得到了更廣泛的應(yīng)用,多晶體有限元模型的建立是實(shí)現(xiàn)晶體塑性有限元模擬的基礎(chǔ)。研究表明,微觀組織晶粒尺寸分布對(duì)晶體塑性有限元的模擬結(jié)果有非常大的影響。因此,建立真實(shí)反映微觀組織形貌的多晶體有限元模型對(duì)預(yù)測(cè)材料的變形行為變得非常重要。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,分別實(shí)現(xiàn)了基于Voronoi圖形結(jié)構(gòu)和EBSD數(shù)據(jù)建立二維和三維多晶體有限元模型,并詳細(xì)對(duì)比了不同多晶體有限元模型對(duì)模擬結(jié)果的影響,保障了模擬結(jié)果的精確性。本文對(duì)鎳鈦鐵形狀記憶合金單軸壓縮變形和平面應(yīng)變壓縮變形進(jìn)行了晶體塑性有限元模擬,并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,獲得了較好的一致性。鎳鈦鐵形狀記憶合金在單軸壓縮變形時(shí),多晶體變形織構(gòu)主要為γ纖維織構(gòu),111晶向平行于ND方向,變形中主要啟動(dòng)的滑移系為100/{110}。鎳鈦鐵形狀記憶合金在平面應(yīng)變壓縮變形時(shí),多晶體變形織構(gòu)主要包含α纖維織構(gòu)和γ纖維織構(gòu),110晶向平行于RD,111和001晶向平行于ND方向,變形中主要啟動(dòng)的滑移系100/{110}和111/{110}。本文基于晶體塑性有限元模擬結(jié)果,建立晶粒在變形過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)角的分布和晶粒初始取向的關(guān)系,結(jié)合塑性變形過(guò)程中不同滑移系的啟動(dòng)比例,揭示了變形織構(gòu)的演化過(guò)程和形成機(jī)理。對(duì)單軸壓縮變形和平面應(yīng)變壓縮變形后多晶體有限元模型中的晶粒內(nèi)和晶粒間的應(yīng)力應(yīng)變不均勻性進(jìn)行了定量分析,結(jié)果表明平面應(yīng)變壓縮變形過(guò)程中的不同晶體學(xué)取向引發(fā)的變形各向異性更加嚴(yán)重。
【圖文】：

記憶合金晶體結(jié)構(gòu)示意圖：(a) B2 體心立方；(b) B19結(jié)構(gòu)(R 相)；(d) Fe 原子在 NiTi 晶胞中替代 Ni 原子tic diagragm of three primary crystallographic structureonoclinic (B19′); (c) rhombohedral (R-phase) and (d) fo

1-2 NiTi 形狀記憶合金熱誘發(fā)相變及馬氏體變形示意圖：(a) 無(wú)外力溫度誘發(fā)相轉(zhuǎn)b) 馬氏體在外力作用下變形；(c) 卸除外力，然后加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變完成溫度以Figure 1-2 Schematic illustration of thermally-induced martensitic transformation andartensitic deformation of NiTi SMA: (a) phase transformation without mechanical load
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG139.6

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本文編號(hào)：2699146