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TiNiNb形状记忆合金的性能研究及其作为中温管接头的优化设计

莫华强  
【摘要】: 为解决舰船核反应堆实现一体化堆芯布置中的关键部件——直流蒸汽发生器遇到的钛合金管与不锈钢管的连接问题,采用Ti_(44)Ni_(47)Nb_9形状记忆合金管接头被考虑为可行的方案之一。它与传统管路连接相比,具有结构简单、占用空间小、安装方便、重量轻、无有害物生成等优点。由于其特殊的使用环境,设计要求制得的管接头系统应能在室温下贮存和安装并具有足够连接强度,在中温(350℃左右)及室温与中温之间循环时应无明显的应力松弛,同时应具有一定的抗辐照能力。根据这些要求,本文研究了该合金850℃退火后的组织、相变特性、恢复力性能、应力松弛行为和电子辐照效应等,建立了计算该合金管接头系统强度的数学模型,分析了该系统强度的影响因素,并进行了管接头的优化设计。 使用X衍射、金相、扫描电镜、透射电镜等手段,系统地研究了该合金板材850℃退火试样的物相等并对组织进行了评价。研究发现,物相除有TiNi基固溶体、β-Nb相和少量的(Ti,Nb)_2Ni相外,还有少量的未见文献报道的新相——Ti_2Ni_3相;TiNi基固溶体基体的晶粒细小,为较完整的等轴晶,其中的位错很少;β-Nb相在晶内为球形,在晶界处为椭球形,总体呈带状分布特征;(Ti,Nb)_2Ni相呈孤立分布;Ti_2Ni_3为纺锤状,出现于球形β-Nb相附近,其一端与β-Nb相接触。研究还发现,TiNi基固溶体的择尤取向为(110)晶面,与轧制态相同;由于固溶度了较多的Nb,其平均晶格常数较TiNi大,为0.30204nm。 使用带环境箱的MTS和DSC等设备,对该合金板材850℃退火试样的相变特性和力学性能进行了测试和分析,研究了形变对马氏体逆相变温度及相变恢 博士学位论文:TININb形状记忆合金的性能研究及其作为中温管接头的优化设计 复的影响以及热机械训练对相变超弹性的影响等,进一步确定了该合金的预应 变工艺。研究发现,在一60℃形变12~18%以及在一120一40℃形变16%后,马氏 体逆相变温度分别随形变量增大和形变温度升高而大幅度上升;一60℃形变16% 后的马氏体逆相变开始温度远高于室温(达63℃),相变温度滞后约150℃,可 恢复应变约5.3%,恢复率约43%。首次发现形变量增加到18%,马氏体逆相变开 始温度可进一步提高到87℃,而此时的可恢复应变约3.5%,恢复率约23%。 使用带环境箱的MTS等设备,通过测定约束升温时的力一—温度曲线并结 合首次采用的在线电阻法测量的电阻—温度曲线,系统地研究了该合金在不 同预应变和不同预恢复条件下的恢复力—温度关系以及其中的马氏体逆相变 过程,掌握了其规律并取得了工程应用所需的相关数据。研究发现,在一60℃形 变后,随约束加热温度升高,恢复力在一定温度产生并近线性地快速增大到最 大值;随预应变量增加,最大恢复力先增大后减小,在10%时达到最大,在16cy0 和18%时也较高(分别为436MPa和385MPa);对一60℃形变16%试样进行预恢复 后,最大恢复力及其对应温度有所减小和降低,但只要预恢复应变小于4%,即 初始可恢复应变大于1.3%,最大恢复力就大于250MPa。研究还发现,恢复力 —温度曲线近直线段斜率随大于10%后的形变量增大而有较大下降,但随预 恢复应变增大而减小的变化较小。 通过在MTS上进行的不同温度、不同载荷、不同温度循环下的应力松弛实 验,首次研究了该合金的应力松弛行为(讨论了应力松弛曲线的数学描述方法, 分析了应力松弛机制,评价了抗应力松弛能力)。恒温应力松弛研究发现,当初 始应力为360MPa,在500℃时的应力松弛较明显,而在350℃时的应力松弛不 明显;在400℃时,初始应力较高(460MPa)的应力松弛较明显,而初始应力 较低(260MPa和360MPa)的应力松弛不明显。变温应力松弛研究发现,初始应 力为360MPa的应力松弛在40~500℃进行循环时明显,而在40~350℃及40~ 400℃进行循环时不明显;当在40一400℃进行循环时,初始应力较高(460MPa) 的应力松弛较明显,而初始应力较低(26OMPa和360MPa)的应力松弛不明显。 使用X衍射仪、扫描电镜研究有明显应力松弛行为的试样,发现了p一Nb有所 析出、基体中Nb的固溶度有所下降、TiZNi3相消失等现象。 用电子辐照方法,首次研究了该合金的抗辐照性能。DSC测量显示,在能 量为1 .7MeV、注量率为1.58X1016/mZs的电子辐照初期,该合金相变温度随 中文摘要 辐照时间延长而升高:4h时,大约升高ZOK;其后变化不大。使用X衍射仪、 扫描电镜、透射电镜研究有明显辐照效应的试样,发现了辐照后组织变化较松 弛试样更明显,有p一Nb大量析出、基体择尤取向弱化、TiZNi,相消失等现象。 根据这些现象,结合辐照理论,分析了其中的机制并对该合金的抗辐照性能进 行了评价。 在前述研究的基础上,运用固体力学的基本理论,对不锈钢管—NITINb 形状记忆合金管接头—钦合金管系统在装配以及使用过程的应力状态进行了 分析,建立了计算该合金管接头系统强度的理论模型。通过模型首次研究了温 度对管接头抱紧力和管接头系统中的最大应力强度的影响。·计算表明,管接头 系统的室温强度低于300℃强度,且不锈钢被接管与管接头间的抱紧力低于钦


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