【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。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,人們對形狀記憶合金應(yīng)用的要求越來越多樣化,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。本文基于鎳鈦鐵形狀記憶合金研究第四元合金元素對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的力學(xué)狀態(tài),被廣泛的應(yīng)用于金屬流動和組織演變的研究。本文通過等通道壓縮模型準確的實現(xiàn)鎳鈦鐵形狀記憶合金的平面應(yīng)變大塑性變形,并對變形后的試樣分別進行回復(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程對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鎳鈦鐵形狀記憶合金性能的影響。實驗結(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度和極限強度,同時也會降低合金的塑性。鉭和鈮元素的添加不會改變鎳鈦鐵形狀記憶合金的相變路徑,但是會影響其相變溫度。平面應(yīng)變壓縮變形后的透射實驗結(jié)果表明,在平面應(yīng)變壓縮變形量為10%和30%時,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,基體中出現(xiàn)了納米晶相;在變形量為50%時,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化的重要機制。基于鎳鈦鐵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)晶機制,并研究不同變形量對再結(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奧氏體晶粒尺寸十分敏感。DSC實驗結(jié)果表明,微觀組織和晶粒尺寸分布對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,建立真實反映微觀組織形貌的多晶體有限元模型對預(yù)測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,并詳細對比了不同多晶體有限元模型對模擬結(jié)果的影響,保障了模擬結(jié)果的精確性。本文對鎳鈦鐵形狀記憶合金單軸壓縮變形和平面應(yīng)變壓縮變形進行了晶體塑性有限元模擬,并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相對比,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,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,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,建立晶粒在變形過程中轉(zhuǎn)動角的分布和晶粒初始取向的關(guān)系,結(jié)合塑性變形過程中不同滑移系的啟動比例,揭示了變形織構(gòu)的演化過程和形成機理。對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)變不均勻性進行了定量分析,結(jié)果表明平面應(yīng)變壓縮變形過程中的不同晶體學(xué)取向引發(fā)的變形各向異性更加嚴重。
【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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.6

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉永康;蔣娜云;李微;;銅基形狀記憶合金專利技術(shù)分析[J];中國科技信息;2018年11期

2 閆國杰;;形狀記憶合金智能瀝青路面的變形特性研究[J];華東交通大學(xué)學(xué)報;2018年04期

3 鄭云峰;;制作形狀記憶合金服裝的設(shè)想[J];中小學(xué)實驗與裝備;2008年04期

4 賀志榮;周超;劉琳;吳佩澤;鄒啟明;;形狀記憶合金及其應(yīng)用研究進展[J];鑄造技術(shù);2017年02期

5 朱玉萍;陳濤;滕耀;;定向凝固鐵磁形狀記憶合金力-磁耦合各向異性特性研究[J];功能材料;2017年03期

6 ;鎂基形狀記憶合金[J];金屬功能材料;2017年02期

7 陳雯;王周鋒;;基于形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)裂縫自修復(fù)研究[J];中國工程咨詢;2015年08期

8 李奕璇;;用形狀記憶合金彈簧驅(qū)動裝置設(shè)計分離裝置[J];金屬材料與冶金工程;2015年04期

9 ;神奇的“形狀記憶合金”[J];天津冶金;2016年02期

10 張賢才;李麗民;;磁控形狀記憶合金伸縮作動器設(shè)計及參數(shù)分析[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2014年36期

相關(guān)會議論文 前10條

1 尤天賜;楊義;;直徑尺度對形狀記憶合金的相變參數(shù)退化規(guī)律影響研究[A];北京力學(xué)會第二十三屆學(xué)術(shù)年會會議論文集[C];2017年

2 郝林;裘進浩;季宏麗;張琛;;一種基于R相相變的形狀記憶合金熱力學(xué)行為建模及數(shù)值仿真[A];中國力學(xué)大會-2015論文摘要集[C];2015年

3 朱玉萍;兌關(guān)鎖;;磁控形狀記憶合金變體重定向的細觀力學(xué)模型[A];慶祝中國力學(xué)學(xué)會成立50周年暨中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會’2007論文摘要集（下）[C];2007年

4 馬宗義;倪丁瑞;王繼杰;肖伯律;;攪拌摩擦加工制備形狀記憶合金粒子增強鋁基復(fù)合材料[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

5 劉兵飛;兌關(guān)鎖;朱玉萍;;上邊界理論和下邊界理論在多孔形狀記憶合金中的應(yīng)用和比較[A];北京力學(xué)會第17屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年

6 劉春雨;涂福泉;許仁波;;磁控形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用進展[A];2011中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集（第二卷）[C];2011年

7 陳瑩;李靜;;形狀記憶合金薄板動力學(xué)方程的中心的判定[A];第十三屆全國非線性振動暨第十屆全國非線性動力學(xué)和運動穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會議摘要集[C];2011年

8 朱yN國;張揚;趙聃;;具有層狀微結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金本構(gòu)模型[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

9 董治中;王德法;劉文西;陳金銘;高銀露;;微量硼對鐵基形狀記憶合金的性能影響[A];2000年材料科學(xué)與工程新進展（上）——2000年中國材料研討會論文集[C];2000年

10 劉巖;周偉敏;江伯鴻;漆t(yī)，

本文編號：2699146