铜基形状记忆合金中的相变及其相关效应的研究

【摘要】：本论文利用电阻-温度曲线测量，形状记忆效应测定，X射线衍射分析，透射电镜、扫描电镜以及原位金相观察，力学性能测试等方法系统研究了Cu-Zn-Al形状记忆合金马氏体结构、马氏体与母相耐热稳定性及稳定化机理，并据此提出了提高铜基形状记忆合金耐热稳定性的途径。在此基础上设计了一种新型的具有强的抗马氏体稳定化性能、抗母相分解性能和抗热循环衰减性能的Cu-24Al-3Mn合金。同时利用Cu-24Al-3Mn合金与QBe2爆炸复合，研制出了一种新型的弹性减振复合材料，并己应用于XXX重点武器型号上。此外还研制出了一种新型的具有优异冷加工性能、良好的相变稳定性和可逆性的廉价的宽滞后Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr记忆合金，系统地研究了该合金的冷加工性能，应力诱发马氏体具有宽的相变滞后同时具有较高的可逆性的变形条件及形成机制，同时，利用该合金制备出了宽滞后记忆管接头，并试用于美菱冰箱管路连接上。具体研究结果如下： 1．为突出马氏体稳定化效应，特设计了高M_s点(M_S≈200℃)的Cu-13Zn-15Al(at％)合金作为研究对象。该合金空冷淬火态马氏体具有M18R结构，其晶格常数为：a=0.4422nm，b=0.5329nm，c=3.818nm，β=88.80°。该马氏体晶格原子分布是有序的，基面原子分布为：位置Ⅰ-15／25Al+10／25Cu，位置Ⅱ-Cu，位置Ⅲ-13／25Zn+12／25Cu。该合金空冷态的马氏体极易发生稳定化，与马氏体稳定化过程相伴随的宏观效应有：①A_S点向高温区移动，上升幅度可达70℃以上(即由250℃上升到320℃)；②马氏体电阻反常增大；③马氏体在原来基础上出现反常再浮凸；④马氏体表现出逆向记忆效应；⑤X-射线衍射谱上马氏体的(12ι)_M与(20)_M、(04ι)_M与(32)_M峰对分别发生简并，(0018)_M衍射峰的d值增大，即M18R马氏体晶格常数a与c增大，b减小，a／b→0.866，单斜角β→90°。其中②～④条宏观效应是首次发现的。 2．对比分析了马氏体稳定化中的宏观效应②～⑤与马氏体相变(β_1→M)宏观效应的相似性，并椐此提出了马氏体稳定化的晶体学模型，即马氏体稳定化实质上是一个同时具有扩散和切变特征的M18R→N18R转变过程。它的扩散特征表现在基面原子排列趋于无序化，它的切变特征表现在马氏体反常再浮凸和逆 博士学位论文 摘要 向记忆效应。 3.详细研究了稳定化了的马氏体的逆变过程，不同于热弹性马氏体靠p:从界面 运动而逆变的模式。稳定化了的马氏体是靠在马氏体变体内某一固定取向的母 相重新形核长大而逆变。这种逆变是不完全的，但它仍能产生正向记忆效应。 4.Cu一1 3Zn一15AI(at%)合金pl母相结构稳定性差，稳定化了的马氏体逆变成 p:母相后，立即发生旦;一p十Q分解，冷却至低温后不再发生马氏体相变， 不能再进行相变热循环。稳定化了的马氏体逆变后，旦;一p+Q分解发生在马 氏体原变体轮廓内，使分解组织具有遗传特征。分解了的组织在更高的温度下 会重新回溶为p相，且原马氏体边界形成的分解组织常最后回溶，在分解组织 遗传特性未完全消失以前，它会控制原变体内回溶产物p相在空冷时日一p， 一M转变的新生马氏体取向，使其仍沿原变体取向生长，从而产生二次逆向 记忆效应。 5.Cu一Zn一AI合金不但抗马氏体稳定化能力差，而且抗母相分解能力和抗热循环 衰减能力也差。由于Cu一13Zn一15AI合金Ms点太高(MS岛200℃)，马氏体相 易稳定化，而稳定化了的马氏体在较高温(犯O℃)逆变后由于立即分解，因 此无法进行热循环，故选用Cu一19Zn一13AI(at%)合金(MS“10℃)研究抗母 相分解能力和抗热循环衰减能力。对于Cu一19Zn一13AI合金，母相时效时(220 ℃)，它极易分解，分解过程为:首先发生日;母相~贝氏体转变，进而贝氏体 一Q相转变，或由p:母相直接分解生成p+Q相。由于分解产物贝氏体和Q相 均富Cu，它们的产生使母相基体富Zn、富Al，从而引起MS点下降，下降幅 度可达60℃。并且分解过程很快，220℃时效5一6小时就全部完成，此后不再 发生马氏体相变。该合金在热循环中也易于发生性能衰减，前10次循环，Ms 降低约24℃，经500次热循环后，可逆马氏体转变量降为70%。与热循环过 程中性能衰减相伴随的组织结构变化为:①部分马氏体发生了稳定化，不再参 与正逆转变，它直接导致可逆马氏体量减少;②马氏体结构次近邻(~)有 序度降低，次近邻有序度的降低引起马氏体相对母相能量升高，因而MS点下 降。热循环中次近邻有序度的降低与有关位错运动相关。 6.根据上述研究，提出了Cu一Zn一Al记忆合金耐热稳定性较差的原因以及提高 铜基记忆合金耐热稳定性的途径。耐热稳定性较差的原因是:①马氏体态时效 博士学位论文 摘要 时发生一个同时具有扩散和切变特征的M18R一N18R转变过程，使其结构失稳; ②母相时效时易发生p，一Q+p分解，从而使其不再发生马氏体相变;③热循 环过程中部分马氏体发生稳定化，导致可逆马氏体转变量减少，同时产生位错， 使马氏体有序度降低。从合金设计角度考虑，提高Cu基记忆合金的耐热稳定 性(包括抗马氏体稳定化能力，抗中温时效分解能力和抗热循环衰减能力)的 途径应该是:①将合金马