NiTi形狀記憶合金熱變形機理研究

高欣凱，張允勝，楊銀順，牛怡文，楊丁丁，官 磊

（1.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 116300；2.中國航發北京航空材料研究院，北京 100000）

金屬材料的熱加工成形性能是其重要的性能指標之一，對于金屬材料的應用起著至關重要的作用。NiTi形狀記憶合金作為新型金屬基功能材料的典型代表，在軍用武器制造、民用高端設備上均獲得了廣泛的應用[1，2]。然而，該合金不具備良好的熱加工成形性能，這使得在復雜結構零件的成形制造方面面臨較大的技術困難，因此大大制約了合金的實際應用。

為此，國內外學者在NiTi形狀記憶合金的熱變形行為方面做了大量的基礎性研究工作[3，4]，但是，關于該合金不同變形條件下的組織演變規律及變形機理方面的相關報道較少。

因此，本文對NiTi形狀記憶合金開展了不同熱壓縮工藝試驗，通過分析其功率耗散率的變化結合微觀組織揭示該合金變形過程中的能量變化機理。

1 實驗材料及方法

本研究中所選用的材料為NiTi合金鑄錠，通過多次真空熔煉獲得，其名義成分如下表1所示。

表1 NiTi形狀記憶合金名義成分（質量分數，%）

實驗方法：

實驗設備及工藝如表2所示。

表2 實驗設備及工藝

2 實驗結果分析與討論

2.1 功率耗散率圖的構建

功率耗散率理論是在金屬材料大塑性變形理論的基礎上，通過假設將變形過程看作是一個固定的能量轉換系統，服從如下表達式（1）：

將變速率敏感性指數（m）通過數學變化引入到上述表達式中，可以獲得給在特定溫度（T）和應變（ε）下J的表達式：

應用該模型時，在此進行假設（m=1），假設材料變形時處理理想狀態，此時J達到最大值，公式（3）可變化為下式：

根據公式（3）、（4）可以獲得功率耗散率（η）表達式：

采用公式（5），選取NiTi合金不同壓縮變形條件下的試驗數據，進行計算，可以獲得功率耗散率值，如表3所示。

表3 NiTi形狀記憶合金功率耗散值

2.2 功率耗散率分析

圖1為NiTi合金不同熱壓縮試驗條件下的功率耗散率圖。圖中橫坐標為溫度，縱坐標為應變速率。圖中曲線表示合金功率耗散率隨壓縮條件變化而變化的等值曲線?？梢钥闯?，在左上角區域（溫度：750℃～800℃，應變速率1-10s-1），功率耗散率值較小，在0.14-0.19之間；而在左下角區域（溫度：750℃～800℃，應變速率0.005-0.05s-1）功率耗散率值最大，達到0.48。且在該溫度范圍內，功率耗散率值隨著應變速率的降低而升高，說明此時合金熱壓縮成形性能受應變速率的影響較大。在溫度為900℃～950℃時，功率耗散率曲線發生了彎折，此時的功率耗散率值在0.3左右，據相關文獻報道出現曲線彎折時，合金發生了動態再結晶行為。在右上角區域（溫度：1050℃～1500℃，應變速率0.005-0.01s-1），功率耗散率為0.24，且隨著應變速率的降低而先升高后降低。

因此，NiTi合金功率耗散率的變化趨勢為：在875℃以下，成形性能受應變速率的影響較大，而當溫度大于875℃時，受溫度和應變速率二者共同作用。

2.3 微觀組織驗證

圖2為NiTi合金不同壓縮條件下的金相顯微組織照片。圖2（a）為合金在中可以看出，在該溫度下合金晶粒較為細小，去分布均勻且成等軸狀，從金相組織中初步判斷該合金發生了動態再結晶，對圖2（a）中的金相組織進行透射電鏡觀察（TEM）如圖3所示（中部區域）。從圖中可以清晰的發現，晶粒等軸狀分布較好，且有位錯存在，說明，發生動態再結晶時位錯運動起到了重要的調節作用。從圖2（b）中可以看出，當應變速率增大至10s-1時，細小的晶粒數量減少，這是由于應變速率較快，某些取向的晶粒來不及發生動態再結晶（左上角區域）。從圖2（c）中可以看出，當溫度和應變速率同時升高時，合金仍然發生了動態再結晶效應，存在等軸狀的晶粒（右上角區域）。

因此，從圖2中的功率耗散率圖中通過組織驗證可以得出，曲線彎折部分發生了明顯的動態再結晶，而功率耗散較大的部分晶粒呈現等軸狀，且數量較多。

3 結論

（1）建立了NiTi形狀記憶合金不同熱壓縮工藝條件下基于溫度、應變速率的功率耗散率曲線圖，運用功率耗散率圖對合金熱變形過程中能量轉換進行分析預測；

（2）NiTi合金在875℃以下時，成形性能受應變速率的影響較大，而當溫度大于875℃時，受溫度和應變速率二者共同作用。

（3）NiTi合金壓縮變行機理為位錯運動控制下的動態再結晶機理。