收藏本站
《华南理工大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

NiTi形状记忆合金中Ni_4Ti_3相沉淀行为的相场法模拟研究

柯常波  
【摘要】:近等原子比NiTi合金由于具有形状记忆效应、超弹性变形能力以及良好的生物相容性等而成为最有应用价值的智能合金材料之一。NiTi合金这些优异的特性与其中的相变行为有着内在的关联,NiTi合金中常见的相变包括B2-R和B2-B19′等转变;除了上述马氏体型相变外,NiTi合金中的Ni_4Ti_3析出型相变对上述马氏体相变又有着复杂的影响,导致马氏体相变出现多步特性。系统研究Ni_4Ti_3相的沉淀析出行为有助于从根本上掌握NiTi合金中相变过程的全貌,深化马氏体相变理论;由于实验研究的复杂性、高成本及耗时,计算机模拟成为有效的补充或替代研究手段。 本论文工作首先建立了适合描述致密及多孔NiTi合金中马氏体相变(包括B2-R和B2-B19′转变)的相场模型;研究了致密NiTi合金中B2-R相变在三维和二维上的微观组织演化;创新性地模拟表征了多孔NiTi合金中B2-R的相变行为,系统研究了多孔NiTi合金中孔隙率和孔尺寸对R相变体生长动力学行为的影响;同时预测了B2-B19′相变中存在的孪晶模式。随后深入研究了致密及多孔NiTi合金中Ni_4Ti_3相的沉淀行为,模拟出Ni_4Ti_3相的析出形貌以及长大过程,并阐明了Ni_4Ti_3相的生长动力学问题,同时揭示了外加应力对上述研究对象的影响。在此基础上考察了不同Ni原子初始浓度、晶界及外加应力对NiTi合金双晶体系中Ni_4Ti_3沉淀行为的影响。针对多孔NiTi合金体系的非均匀特性,分别研究了含有纳米和微米尺度孔隙的NiTi合金体系中Ni_4Ti_3相的沉淀动力学问题,阐述了外加应力大小和应力方向以及孔尺寸对Ni_4Ti_3沉淀过程的影响;提出了“体积元”处理方法并系统研究了Ni_4Ti_3变体在体系不同“体积元”的析出形貌,表征了变体的面积分数、长度以及尺寸分布随时间的变化关系,获得了体系中不同位置处Ni_4Ti_3沉淀相的分布规律。 模拟结果表明,致密及多孔NiTi合金中R相变体均以相互协调的方式形成“带状”的三维结构和“鱼骨”状的二维组织,变体之间形成{101}_(B2)和{001}_(B2)两种孪晶面,4组变体相交于010_(B2)。多孔NiTi合金中R相优先在孔周围形核且较大的孔周围有较多的变体形核;R相变体的平均尺寸随孔隙率增大而逐渐减小,随孔径增大而增加;而变体的尺寸均匀性则随孔隙率增大而提高,但对孔径大小不敏感;孔隙数量越多且孔径越小,则B2-R转变越倾向于产生均匀而细密的R相组织。对B2-B19′相变过程的模拟结果表明,相变过程中马氏体变体之间将发生自协调作用;所建立的相场模型能准确且直观地预测B2-B19′相变中存在的I型孪晶模式。 对NiTi合金中Ni_4Ti_3沉淀过程的相场模拟结果表明,Ni_4Ti_3沉淀相的长度、宽度和面积分数随时间的变化分别遵循指数、线性和对数关系,且其长度与宽度的比值在生长初期有较大的增加而随后逐渐稳定;模拟结果能很好地解释沉淀相盘状及透镜状形貌特征形成的原因并与相关实验研究结果吻合。 模拟结果表明,NiTi合金在无外加应力作用的时效过程中4组Ni_4Ti_3变体均沿着各自对应的(111)B2惯习面从NiTi基体相中析出,而在[111]_(B2)方向施加压应力时则只有一组Ni_4Ti_3变体从NiTi基体相中析出。外加单轴压应力可促进Ni_4Ti_3变体的形核和长大,但并不改变变体的面积分数、长度、宽度以及长度-宽度比等参数随时效时间变化的趋势;外加压应力增大使变体长度及宽度均略微增加,但均小于无应力作用下的情形。 对NiTi合金双晶体系时效过程中Ni_4Ti_3沉淀行为的模拟研究表明,当体系的Ni原子初始浓度相对较低时,无应力作用时Ni_4Ti_3以非均匀的方式析出,其中晶界上存在大量的Ni_4Ti_3变体,晶界内大部分区域无变体;当体系的Ni原子初始浓度较高时,Ni_4Ti_3在整个双晶体系中均匀析出。一定大小的外加应力将直接导致Ni_4Ti_3变体均匀析出于整个模拟体系,而两晶粒中变体的类型分布有所不同。模拟还揭示出,在双晶体系中晶界对于产生非均匀分布的Ni_4Ti_3变体而言是一个必要但非充分的条件,晶界的作用与浓度及外加应力有关,外加应力对变体分布的影响在较低Ni原子初始浓度的NiTi体系更为敏感。 对多孔NiTi合金中Ni_4Ti_3沉淀行为的相场模拟结果表明,较大的压应力能促使更多Ni_4Ti_3变体在孔周围析出,与孔径大小无关;相对于小孔,大孔周围有更多的变体形核并长大;单轴压应力的作用促使Ni_4Ti_3变体的析出具有区域选择性。模拟结果还阐明了压应力作用下的时效过程导致Ni_4Ti_3沉淀相在不同的体积元具有不同的组织形貌及析出特性;孔周围的Ni_4Ti_3变体倾向于形成一种梯度型的组织,梯度不仅表现在整体的变体数量上,还表现在单个变体的数量上。模拟结果还表明,变体的平均尺寸与距孔的距离有关,而变体尺寸分布的均匀性随时效时间和外加应力而略微降低,相对于外加应力方向,垂直于外加应力方向上变体分布的均匀性相对较差。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG139.6

手机知网App
【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 张健;电弧喷涂Ni-Ti涂层的组织结构及其耐磨性能研究[D];西安石油大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;Microscopic phase-field simulation of L1_2 and D0_(22) phases during the early precipitation process of Ni-Cr-Al alloys[J];Journal of University of Science and Technology Beijing(English Edition);2006年05期
2 孙世清,郭志猛,殷声;TiNi形状记忆合金及其多孔体[J];材料导报;2001年02期
3 李丙运,戎利建,李依依,V.E.Gjunter;生物医用多孔Ti-Ni形状记忆合金的[J];材料研究学报;2000年06期
4 张新平;张宇鹏;;多孔NiTi形状记忆合金研究进展[J];材料研究学报;2007年06期
5 徐祖耀;应力对钢中贝氏体相变的影响[J];金属学报;2004年02期
6 孟庆平,戎咏华,徐祖耀;马氏体相变的形核问题[J];金属学报;2004年04期
7 柯常波;马骁;张新平;;NiTi形状记忆合金中共格Ni_4Ti_3沉淀相生长动力学行为的相场法模拟[J];金属学报;2010年01期
8 满蛟;张骥华;戎咏华;;马氏体相变中应变自协调效应的三维相场研究[J];金属学报;2010年07期
9 柯常波;马骁;张新平;;外应力对NiTi合金中共格Ni_4Ti_3沉淀相长大行为影响的相场法模拟[J];金属学报;2010年08期
10 柯常波;马骁;张新平;;孔隙对NiTi形状记忆合金中B2-R相变影响的相场模拟[J];金属学报;2011年02期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 于艳梅;过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟[D];西北工业大学;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 肖建华;形状记忆聚合物[J];工程塑料应用;2005年01期
2 张存信,刘洁;形状记忆不锈钢的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2003年04期
3 史强军,王晓东,司乃潮;热处理对CuZnAl形状记忆合金塑性滞回耗能的影响[J];兵器材料科学与工程;2004年01期
4 徐桂芳,司乃潮,李玉祥;热处理工艺对铜锌铝形状记忆合金组织与滚动磨损性能的影响[J];兵器材料科学与工程;2004年04期
5 杜宏伟;魏昕;林悦香;潘志国;江景涛;;LiTaO_3晶片CMP过程的化学去除机理研究[J];半导体技术;2008年03期
6 郭冬云,王耘波,付承菊,于军;MEMS器件中的铁电材料[J];微纳电子技术;2004年03期
7 张文彦;江雷;奚正平;;基于MEMS的TiNi形状记忆合金薄膜研究进展[J];微纳电子技术;2006年05期
8 刘建华,孙杰,李松梅,陈冬梅;不同形貌氧化锌的微波电磁性能研究[J];北京航空航天大学学报;2004年09期
9 黄作勤;刘雪峰;谢建新;;镍钛形状记忆合金线坯连续定向凝固温度场的数值模拟[J];北京科技大学学报;2006年06期
10 ;Phase transformation behaviors and shape memory effects of TiNiFeAl shape memory alloys[J];Journal of University of Science and Technology Beijing;2007年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 边文凤;贾宝贤;;伪弹性合金内衬复合材料容器的强度分析[A];复合材料力学的现代进展与工程应用——全国复合材料力学研讨会论文集[C];2007年
2 王晓宏;张博明;杜善义;于东;;形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构的有限元分析[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)[C];2008年
3 田晓宝;杨新华;操卫忠;;不同应变率条件下铁电体180°畴结构的力学行为模拟[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
4 张小明;谭拴斌;王立新;王小鹏;王学成;;高阻尼TiNi合金[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
5 袁斌;曾美琴;;热等静压法制备多孔NiTi形状记忆合金[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
6 朱杰;骆亚娟;孙大志;朱玉丹;金雪琴;;梯度钛酸锶钡(Ba_xSr_(1-x)TiO_3)材料性能的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(2)[C];2007年
7 刘欣杰;韩会民;卢守栋;杨大智;;电化学抛光NiTi合金表面性能的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(5)[C];2007年
8 刘海卿;王学庆;刘淼;;Ti-50.75at%Ni形状记忆合金绞线超弹性试验研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(8)[C];2007年
9 向国权;程先华;;马氏体相变温度变化对TiNi合金磨损性能的影响[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(10)[C];2007年
10 王文利;王岩;曲宏岗;;形状记忆功能纺织品的研究与应用[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王希花;基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 曲华;掺杂型ZnS纳米粒子的制备及表面修饰对其发光性质的影响[D];中国海洋大学;2010年
3 张光祖;钛酸锶钡场致效应及热释电特性研究[D];华中科技大学;2010年
4 吴云良;扫描近场光学显微镜若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
5 康慧珍;光折变表面波激发及其在二次谐波产生中的应用研究[D];南开大学;2010年
6 曾慧中;铁电/AlGaN/GaN半导体异质薄膜的界面表征研究[D];电子科技大学;2010年
7 尚杰;铁电氧化物薄膜的制备及其激光感生电压效应[D];昆明理工大学;2010年
8 朱晓莉;充满型钨青铜铌酸盐陶瓷的结构、介电性能与铁电相变[D];浙江大学;2010年
9 李洪梅;TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料激光焊研究[D];吉林大学;2011年
10 张亮;镁铝合金成分、半固态组织和等温处理工艺[D];吉林大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李兆清;镍钛合金人流器超弹性设计与制备[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王建军;镍钛合金堵闭器钽镀层的制备与性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 钊新维;基于碳骨架的多孔镍的制备与表征[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 冯亚亚;SMA半主动隔震支座的研制及其减震效果分析[D];辽宁工程技术大学;2009年
5 王迪;应用SMA复合支座的层间隔震结构体系及其地震响应分析[D];辽宁工程技术大学;2009年
6 王奇;SMA-粘滞阻尼器及其在框架结构中的减震研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
7 侯建伟;电子型铁电体的介电调谐性的研究[D];湘潭大学;2010年
8 王芳;Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)铁电纳米管的制备与表征[D];湘潭大学;2010年
9 项尚;BaTiO_3、SrTiO_3及Ba_(1-x)Sr_xTiO_3纳米材料的制备研究[D];湘潭大学;2010年
10 董广军;铁电薄膜的频率依赖关系研究[D];湘潭大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 程国东;王引真;秦清彬;;燃气流量对超音速火焰喷涂Cr_3C_2-NiCr涂层组织与冲蚀性能的影响[J];中国表面工程;2008年01期
2 黄学文,董光能,周仲荣,谢友柏;TiNi合金的耐磨机制及其摩擦学应用研究[J];材料工程;2004年06期
3 王立民,徐久军,严立,林炳凤;基于TiNi合金的超弹性对其相关磨损机制的FEM研究[J];材料科学与工程学报;2003年03期
4 徐久军,严立,于志伟,史雅琴,杨大智;NiTi形状记忆合金硬度的不唯一性[J];功能材料;2001年03期
5 Koichi Tsuchiya;Minoru Umemoto;;Martensitic stabilization and defects induced by deformation in TiNi shape memory alloys[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2011年01期
6 金嘉陵,王宏亮;Ni-Ti合金耐磨性研究[J];金属学报;1988年01期
7 陈桂军,朱维军,强士坤;NiTi合金的显微组织与超弹性行为[J];金属制品;2003年01期
8 柳伟,郑玉贵,刘常升,姚治铭;Ni-Ti合金的磨损行为及应用研究进展[J];摩擦学学报;2002年02期
9 黄学文,董光能,王慧,周仲荣,谢友柏;超弹Ti-Ni合金的摩擦学特性研究[J];摩擦学学报;2002年06期
10 秦桂红,严彪,殷俊林;Ni-Ti基形状记忆合金的研究与应用[J];热处理;2004年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 贺定勇;电弧喷涂粉芯丝材及其涂层的磨损特性研究[D];北京工业大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 董坤;镍钛形状记忆合金冲蚀性能的研究[D];大连海事大学;2006年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张苇;形状记忆合金及其应用[J];材料导报;1995年04期
2 赵新清;铁基合金中马氏体均匀形核热力学探讨[J];材料工程;1999年11期
3 赵新清,韩雅芳;铁基合金中马氏体形核动力学探讨[J];材料工程;2000年03期
4 王晓林,梁国宪,王尔德,霍文灿;机械合金化过程中粉末变形与形成复合粉的工艺条件[J];材料科学与工艺;1995年03期
5 张廷华,郑玉峰,蔡伟,赵连城;TiNi形状记忆合金的相变行为及其影响因素[J];材料科学与工艺;1997年01期
6 邓永瑞;马氏体形核理论[J];稀有金属材料与工程;1991年01期
7 张小明,殷为宏,王学成;SHS法制备高孔隙度TiNi合金[J];稀有金属材料与工程;2000年01期
8 孙奇,杨海波;植入金属和形状记忆合金[J];稀有金属材料与工程;1994年01期
9 李丙运,戎利建,李依依,V.E.Gjunter;生物医用多孔Ti-Ni形状记忆合金的[J];材料研究学报;2000年06期
10 徐祖耀;陶瓷中的相变[J];材料研究学报;1994年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李启全,祁珊,王世栋;NiTi形状记忆合金超弹性的研究现状[J];上海有色金属;2003年04期
2 耿芳,石萍,F.T.Cheng;NiTi形状记忆合金表面TiO_2薄膜的制备及其血液相容性[J];中国有色金属学报;2004年09期
3 ;NiTi形状记忆合金及其应用开发[J];金属功能材料;1997年01期
4 崔振铎,朱胜利,杨贤金;NiTi形状记忆合金激光气体氮化层表面特征[J];天津工业大学学报;2003年05期
5 华英杰,王崇太;NiTi合金表面氧化对镍离子释放的影响[J];海南师范学院学报(自然科学版);2004年04期
6 吴晓东,王征,吴建生;用于智能材料与结构的 NiTi 丝的电阻特性研究[J];上海交通大学学报;1998年02期
7 冯 建,张朝平;凝胶-微乳液化学剪裁法合成纳米级棒状NiTiO_3(英文)[J];功能材料;2005年05期
8 金江,刘红梅,洪俊青;NiTi形状记忆合金的性能测试[J];南通工学院学报(自然科学版);2002年01期
9 崔立山,杨大智;吸氢形状记忆合金NiTi球磨法制备颗粒的研究[J];金属热处理学报;1994年03期
10 牛济泰,王蔚青,王儒润,常补怀;NiTi形状记忆合金丝焊接工艺的研究[J];宇航材料工艺;1994年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 吴静;肖大武;李英雷;蔡灵仓;刘仓理;;NiTi形状记忆合金动态压缩力学行为的实验研究[A];第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集[C];2010年
2 袁振宇;朱清;;NiTi合金在主动脉支架中的应用概述[A];中国生物医学工程学会成立30周年纪念大会暨2010中国生物医学工程学会学术大会青年优秀论文[C];2010年
3 张虎;;定向凝固NiTi-Al合金的组织性能研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 谢焕文;蔡一湘;刘辛;骆接文;;气流雾化法制备NiTi形状记忆合金粉末[A];2009全国粉末冶金学术会议论文集[C];2009年
5 王海林;康国政;阚前华;;形状记忆NiTi合金应力循环变形行为的实验研究[A];四川省力学学会2008年学术大会论文集[C];2008年
6 阚前华;康国政;;超弹性NiTi合金在球形压痕下的临界载荷分析[A];四川省力学学会2010年学术大会论文集[C];2010年
7 李强;于景媛;李春微;孙旭东;;燃烧合成法制备的多孔NiTi合金表面改性研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
8 尹燕;罗志强;夏天东;徐仰涛;达国祖;;重熔NiTi形状记忆合金DSC研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
9 阳生有;马宝玉;刘晓君;兑关锁;;NiTi形状记忆合金丝加载过程中的轴向温度分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
10 卢雪梅;刘庆锁;何烜坤;张玉娇;;NiTi薄膜对压电陶瓷材料阻尼性能的影响[A];第九届全国固体内耗与力学谱及其应用学术会议论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李大圣;优化造孔剂法烧结制备多孔NiTi合金与复合材料及其相关性能研究[D];华南理工大学;2009年
2 李强;多孔NiTi形状记忆合金的制备和表面改性研究[D];东北大学;2008年
3 柯常波;NiTi形状记忆合金中Ni_4Ti_3相沉淀行为的相场法模拟研究[D];华南理工大学;2010年
4 张静娴;多孔NiTi合金表面溶胶凝胶法制备生物活性涂层及相关性能研究[D];华南理工大学;2011年
5 王海瑞;医用NiTi合金表面TiO_2膜层的制备及生物活性研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
6 卢立红;浸铝层及NiTi形状记忆合金等离子电解氧化工艺与机理研究[D];燕山大学;2012年
7 宋卿争;复合加载下NiTi合金力学特性和相变波的研究[D];中国科学技术大学;2014年
8 阚前华;超弹性NiTi合金本构模型研究及其有限元应用[D];西南交通大学;2009年
9 崔振铎;生物医学用镍钛形状记忆合金激光表面改性的研究[D];天津大学;2003年
10 江鸿杰;轻质高强高阻尼Ni-Ti形状记忆合金与复合材料的制备及其性能研究[D];华南理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周丹;仿长骨结构梯度多孔NiTi形状记忆合金的制备和性能研究[D];华南理工大学;2012年
2 王翠;NiTi合金原子间势的构建[D];辽宁大学;2012年
3 杨萌蕾;多孔NiTi形状记忆合金的高温氧化和化学氧化表面改性研究[D];华南理工大学;2010年
4 卢雪梅;具有不连续NiTi SMA薄膜复合材料的制备及性能研究[D];天津理工大学;2010年
5 关锐峰;具有负热膨胀和近零膨胀行为的多孔NiTi合金及其复合材料的制备与性能研究[D];华南理工大学;2011年
6 邱德亮;NiTi合金表面生物活性涂层的制备与表征[D];中国海洋大学;2011年
7 李丹;多孔NiTi形状记忆合金表面复合改性膜层的工艺与性能研究[D];华南理工大学;2012年
8 赖坚;窄温区响应NiTi双程形状记忆合金的设计和制备[D];华南理工大学;2012年
9 洪海侠;凝胶注模成形制备多孔NiTi合金的研究[D];中南大学;2013年
10 付纪松;多晶体NiTi形状记忆合金材料晶粒及晶界变形的实验研究[D];黑龙江大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026