《工程用鎳鈦合金》首先系統介紹工程應用鎳鈦合金的相變原理?相變熱力學?力學行為?形狀記憶效應?超彈性?鐵彈性等方面的基本概念?性能指標和相關的基礎研究進展"W后總結鎳鈦合金的制備與處理工藝及其所帶來的性能變化,闡述目前較熱門的鎳鈦基三元記憶合金?新穎結構鎳鈦合金與鎳鈦合金機敏復合材料的研究進展;論述工程應用鎳鈦合金驅動器的設計?制備和控制,總結鎳鈦合金在航空航天工業?汽車工業?能源工業等方面的具體應用實例?
《工程用鎳鈦合金》適合從事形狀記憶材料研究及其工程應用技術開發的科技人員閱 讀,也可供工科院校相關師生參考?
目錄
序
前言
第1章鏡鈦形狀記憶合金與熱彈性馬氏體相變1
1.1引言1
1.2鎳鈦二元合金體系2
1.2.1鎳鈦二元相圖2
1.2.2B2相的擴散型分解4
1.2.3B2相無擴散型相變7
1.3近等原子比鎳鈦合金的熱-機行為10
1.3.1熱誘發馬氏體相變行為10
1.3.2應力誘發馬氏體相變行為13
1.3.3馬氏體的鐵彈性16
1.3.4熱-機行為18
參考文獻21
第2章熱彈性馬氏體相變熱力學27
2.1馬氏體相變的熱-機二重性27
2.2馬氏體相變的熱彈性28
2.3熱彈性馬氏體相變平衡熱力學基本公式31
2.4非平衡熱力學因素的影響35
2.4.1馬氏體相變熱彈滯現象的熱力學描述35
2.4.2彈性能38
2.4.3非可逆能39
2.5熱彈性馬氏體的聯合熱力學公式40
2.6相變溫度的確定42
2.7相變熱量的測量44
2.8熱彈性相變熱力學的普遍性46
2.9馬氏體相變的熱-機不對等性47
參考文獻47
第3章鎳鈦合金的性能52
3.1機械行為52
3.1.1呂德斯變形行為52
3.1.2變形狀態55
3.1.3變形速率的影響66
3.2超彈性72
3.3鐵彈性79
3.4單程形狀記憶效應82
3.5雙程形狀記憶效應83
3.5.1雙程形狀記憶效應的訓練84
3.5.2熱處理的影響93
3.5.3成分的影響94
3.6疲勞與功能衰減96
3.6.1熱相變循環的影響96
3.6.2超彈性形變循環的影響101
3.7鎳鈦合金的阻尼特性103
3.7.1鐵彈性形變循環103
3.7.2抗渦蝕損傷能力105
3.8自由回復與約束回復111
參考文獻116
第4章鎳鈦合金的制備與處理123
4?1鎳鈦合金的制備123
4.1.1鎳鈦合金的熔煉123
4.1.2鎳鈦合金的固態擴散制備125
4.1.3鎳鈦合金單晶的制備132
4?2鎳鈦合金的加工與處理136
4.2.1鎳鈦合金的傳統加工方法136
4.2.2鎳鈦合金的切削與連接136
4.2.3鎳鈦合金的大塑性變形處理143
4.2.%鎳鈦合金的加工與退火152
4.2.5鎳鈦合金的固溶處理與時效159
4.2.6鎳鈦合金的快速加熱與定形174
4.2.7鎳鈦合金的梯度處理175
4.2.8鎳鈦合金的高溫氧化181
4.2.9鎳鈦合金的表面處理184
參考文獻185
第5章鎳鈦基三元記憶合金195
5.1概述195
5.2鎳鈦鈮寬滯后形狀記憶合金206
5.2.1鎳鈦鈮合金的顯微組織與相組成206
5.2.2鎳鈦鈮合金的相變行為及其影響因素211
5.2.3鎳鈦銀合金的力學行為214
5.2.4鎳鈦銀合金的應變回復特性219
5.2.5鎳鈦銀合金馬氏體的穩定性224
5.2.6鎳鈦銀合金的機械加工與焊接226
5.3鎳鈦鉿高溫形狀記憶合金233
5.3.1鎳鈦鉿合金的顯微組織與相組成233
5.3.2鎳鈦鉿合金的馬氏體相變241
5.3.3鎳鈦鉿合金的力學行為243
5.3.4鎳鈦鉿合金的形狀記憶效應246
5.4鎳鈦銅窄滯后形狀記憶合金248
5.4.1鎳鈦銅合金的顯微組織和相組成248
5.4.2鎳鈦銅合金的相變行為250
5.4.3鎳鈦銅合金的力學行為253
5.4.4鎳鈦銅合金的形狀記憶效應259
參考文獻260
第6章新穎結構鎳鈦合金265
6.1鎳鈦合金粉末265
6.1.1制備工藝265
6.1.2顯微組織266
6.1.3相變行為268
6.2鎳鈦合金毛細管269
6.3多孔鎳鈦合金273
制備工藝273
6.3.2顯微組織275
6.3.3相變行為278
6.3.4力學性能280
6.4鎳鈦基合金薄膜282
6.4.1制備工藝283
6.4.2晶化行為285
6.4.3顯微組織290
6.4.4馬氏體相變行為292
6.4.5力學行為294
6.4.6形狀記憶效應與超彈性296
6.4.7納米力學行為304
6.5鎳鈦基合金薄帶307
6.5.1制備工藝308
6.5.2晶化行為309
6.5.3顯微組織310
6.5.4織構312
6.5.5馬氏體相變行為313
6.5.6形狀記憶效應與超彈性315
參考文獻318
第7章鎳鈦合金機敏復合材料329
7.1引言329
7.2鎳鈦合金與金屬的復合材料330
7.2.1鎳鈦/鎂基復合材料331
7.2鎳鈦/鋁基復合材料336
7.2.3鎳鈦/鈦基復合材料350
7.2.4鎳鈦/鐵基復合材料351
7.2.5鎳鈦/錫鉛銀基復合材料352
7.2.6鎳鈦/錫銀基復合材料352
7.3鎳鈦合金與陶瓷的復合材料353
7.3.1碳化鈦/鎳鈦復合材料354
7.3.2鈦酸鉛/鎳鈦復合材料362
7.4鎳鈦合金與聚合物的復合材料363
7.4.1鎳鈦/碳纖維增強復合材料363
7.4.2鎳鈦/環氧樹脂復合材料371
7.5鎳鈦合金與水泥的復合材料381
7.5.1鎳鈦/水泥復合材料的制備382
7.5.2鎳鈦/水泥復合材料的相變行為383
參考文獻385
第8章鎳鈦合金驅動器389
8.1鎳鈦合金彈簧驅動器390
8.1.1鎳鈦合金彈簧元件390
8.1.2鎳鈦合金彈簧驅動器395
8.2鎳鈦合金熱驅動器404
8.3鎳鈦合金電驅動器405
8.4鎳鈦合金驅動器的建模與控制410
8.4.1鎳鈦合金驅動器的建模410
8.4.2鎳鈦合金驅動器的控制412
參考文獻415
第9章鎳鈦合金的工程應用418
9.1鎳鈦合金在汽車工業的應用418
9.1.1汽車用驅動器418
9.1.2減震降噪用墊圈426
9.1.3燃油噴射器高壓回路密封器427
9.1.4其他方面的應用429
9.2鎳鈦合金在列車中的應用430
9.3鎳鈦合金在土木工程中的應用432
9.3.1橋梁433
9.3.2建筑435
9.4鎳鈦合金在航空航天工業的應用439
9.4.1星用解鎖機構和鎖緊系統439
9.4.2易斷缺口螺栓釋放機構440
9.4.3空間桁架組裝結構中的應用443
9.4.4固定翼飛行器方面的應用447
9.4.5可展開天線449
9.5鎳鈦合金在能源工業的應用450
9.5.1熱機上的應用450
原子能方面的應用455
9.5.3太陽能方面的應用458
9.5.4石油工業的應用460
9.6鎳鈦合金在電子電氣工業的應用464
9.6.1連接器和緊固件方面464
9.6.2風向與溫度調節方面469
9.6.3安全系統471
9.7鎳鈦合金在礦業工業的應用473
9.8鎳鈦合金在機械工業的應用475
9.8.1阻汽排水裝置475
9.8.2連接與緊固件475
9.8.3自動組裝結構件476
參考文獻476
第1章鎳鈦形狀記憶合金與熱彈性馬氏體相變
1.1引言
近等原子比成分的NiTi合金具有優異的形狀記憶效應,是數十種已知形狀記憶合金中性能好?應用最廣泛的一種?形狀記憶效應指某些金屬材料經適當變形后形狀回復的特殊性能?有關這一現象的簡單描述如下:合金在外加應力的作用下產生殘余變形,將其加熱到一定溫度后,該合金會自動回復其原始形狀及尺寸?在形狀回復過程中,合金產生應力,對外界做功?依據不同的情況,形狀回復還可在卸載過程中發生,這一現象被稱為偽彈性或超彈性?圖1!給出了合金中形狀記憶效應和超彈性的示意圖?迄今已發現數十種合金材料具有形狀記憶效應,此類合金材料統稱為形狀記憶合金?得益于其獨特的形狀回復?自驅動及對外做功的特點,形狀記憶合金在眾多的新型技術中獲得應用,如傳感器?驅動器?醫療器械?自動控制與智能結構等?
(a)(b)
圖1!合金中形狀記憶效應與超彈性的示意圖
(a)形狀記憶效應;(b)超彈性
早在1951年,Chang與Read在Au-47.5%Cd合金中觀察到了形狀記憶效應[1],其后Burkart與Read[2]以及Basinski與Christian[3]也在InTl合金中觀察到同樣現象?然而,這些早期觀察并未引起人們的足夠重視?直到1963年,美國海軍軍械實驗室的Buehler等在近等原子比的NiTi合金中發現了形狀記憶效應[],這一現象才被確認為某些特定合金材料的內在屬性?相對于早期的AuCd和InTl合金,近等原子比的NiTi合金具有更接近普通合金的化學組成?優良的機械強度?良好的加工性能?優異的抗腐蝕能力?的形狀記憶效應以及適合大范圍工程應用的成本?因此,NiTi合金立即引起研究者的廣泛興趣?在隨后的30年中,研究者發現了大量形狀記憶合金體系,如CuZnAP?7]?CuAlNi[8!M]?經過長期研究,目前對材料形狀記憶效應及相關行為已經有了充分了解`如單程記憶效應[11!14]?雙程記憶效應[15?18]?超彈性[19!;等`對形狀記憶效應基本原理的理論研究也取得了極大進展,如馬氏體+目變晶體學[11,23?27]及熱力學[8?;等?
近20年來,在基礎研究漸趨完善的基礎上,形狀記憶合金的應用研究也獲得了長足的進展?據統計`迄今已發現五十多種合金體系具有不同特性的形狀記憶效應`注冊專利已達到上萬例?在已知的形狀記憶合金體系中`近等原子比NiTi合金獲得了最廣泛的應用,這主要是因為該合金具有如下特性:
(1)優良的形狀記憶效應與超彈性?普通工程用多晶NiTi合金的形狀可回復拉伸應變高達8%,在此形變范圍內形狀回復率高達,并且循環穩定性較好?其形狀記憶性能指標可在一定范圍內通過熱處理及合金化調整?
()良好的力學性能?近等原子比的NiTi合金的力學強度及韌性與低-中碳鋼的同類性能相近,其力學性能可在很大的范圍內通過金屬熱冷加工及熱處理控制?在現有的形狀記憶合金中,NiTi合金具有的抗疲勞特性?
(3)良好的加工與成型能力?常見的金屬材料加工手段均適用于NiTi合金,如鑄造?鍛壓?軋制?擠壓?焊接等?近等原子比NiTi合金本質晶粒度細小,具有很好的加工塑性,可被加工成很細的絲材或薄板(
()優良的抗腐蝕性能與生物相容性?
1.2線鈦二元合金體系
12.1鏡鈦二元相圖
鈦和鎳形成一個包括三個金屬間化合物的復雜二元合金體系?圖1;所示為"無特殊說明時,均指原子分數?
NiTi二元合金體系的近期相圖?該相圖首先由Honma等在1979年提出[33,4,經Otsuka和Ren在1999年加以修改[35`@?此前的近五十年里,對該相圖的細節存在不少爭議,其中最主要的是NiTi相在630°C以下共析分解為Ti2Ni與TiNi3?這一反應最初由Duwez和Taylor提出[37,38],在相圖中由一條連接Ti2Ni和TiNi3相的水平虛線表示,然而大量的實驗證實這個轉變不存在?Nishida等通過系統的實驗結果證實過去所認為的共析分解實際上是TiNi相對Ni的有限脫溶(9),而TiNi相以近等原子比成分在630C以下穩定存在?由Otsuka和Ren提出,這條虛線已被刪除,如圖1-2所示?Otsuka和Ren進行的另一個修正是取消了在1090CTiNi相的有序-無序轉變[41],如圖1-2中虛線所示,該轉變最初由Honma等提出[33]?至此,對NiTi二元合金相圖的爭議基本結束?
鎳質量分數/%
鎳原子分數
圖1-2NiTi二元合金相圖
NiTi二元合金體系含有三個金屬間化合物:Ti2Ni?TiNi3和TiNi?Ti2Ni相是立方結構,屬Fd3m空間群,晶格常數為1.132nm,晶胞中含有96個原子[A42]?TiNi3相是DO24型六方結構,晶格常數為?
NiTi合金的形狀記憶效應由TiNi相實現?TiNi相是B2(CsCl)結構,室溫晶格常數為0.3015nm[44]?B2相成分在等原子比附近有一定擴展,因而更具固溶體合金的特性,在文獻中常被表示為TiNi或Ti-Ni?B2相對Ni有明顯的過固溶度,對Ti的過固溶度則很小?在1180°C,其固溶度范圍約為51.5%Ti?56.5%Ni?隨溫度下降,固溶度下降至50%Ti?50%Ni等原子比,導致Ti2Ni和TiNi3析出相的形成?
1.2.2B2相的擴散型分解
NiTi高溫相為B2結構?理想的B2結構要求等原子比,因此近等原子比的NiTi相冷卻時會發生有限脫溶分解?亞等原子比合金脫溶分解為NiTi~$NiTi+Ti2Ni,過等原子比合金脫溶分解為NiTi$NiTi+TiNi3?實驗觀察表明:(1)B2相對Ni和Ti的脫溶反應緩慢,在正常合金生產條件下非等原子比成分的NiTi合金溫下過和在?
()B2相在630C以下的有限分解是Ti2Ni或TiNi3的脫溶反應?等原子比的NiTi(B2)在此溫度以下穩定存在?這意味著B2相區在很窄的成分區間內延伸溫?
()對固溶處理后的NiTi合金進行長時間時效處理,至今還無任何實驗證據表明富Ti與富Ni析出物同時存在,表明B2相的有限分解不是共析反應?圖1-3Ni52Ti48合金固溶處理后時效處理的TTT圖
10100100010000時效時間/h
目前對近等原子比NiTi合金的時效分解過程已有較細致充分的研究,實際過程比平衡相圖所示更為復雜?圖1-3所示為Ni52Ti48合金固溶處理后時效處理的溫度-時間-相變(TTT)圖?如圖所示,隨時效溫度升高或時間延長,過等原子比NiTi合金富Ni相析出順序為Ti3Ni4—Ti2Ni3—TiNi3?通常材料生產時效處理條件下析出物為Ti3Ni4?另外,普通工業用NiTi合金Ni含量在51%以下?在這些相對低Ni含量的合金中脫溶過程更加緩慢?因此,與過原子比NiTi合金的性能直接有關的是彌散分布的共格Ti3Ni4析出物?圖14所示為NiM.8Ti49.2工業合金經時效處理后的Ti3Ni4相分布情況[45]?
圖1-4Ni50.8Ti49.2合金中Ti3Ni4析出相的典型形貌
Ti3Ni4相為菱方結構(rhombohedral),屬R3空間群,其晶格常數為a=0.670nm,^=113.8°?圖1-5所示為Ti3Ni4相在基面上堆垛情況?Ti3Ni4的基面用六方指數表示為(001),實際上是B2相的(110);面(6?48]?
B2結構可被視為在[111]方向上的Ti六方基面和Ni六方基面的交替堆垛,堆垛次序為ATiANiBTiBNi+nCNi?Ti3Ni4結構可被視為在每一個Ti基面上增加額外Ni原子構成(符合其擴散成相的基本要求)?因此,Ti3Ni4與B2母相有共格取向關系為(001)hA(111)B2,[010]hA[213]b2?這樣的晶格對應關系決定了Ti3Ni4在B2基體中以透鏡片狀形成,如圖1-6所示?其透鏡中心面為(001)//(111)2慣習面,故透鏡切面軸長沿(111)2面取向?在各向同性情況下,四個Ti3Ni4變體可在四個{111,2面上分別形成?
由Ti3Ni4的晶格常數不難算出Ti3Ni4相從NiTi(B2)相中的形成伴隨著約3.3%的體積收縮?這一體積收縮是由垂直于(01)基面方向上的2.36壓應變和平行于(001)基面方向上的0.5%壓應變組成(注意圖1-6所示結構給出了垂直于(001)基面的壓應變,而忽略了平行于(001)面方向的較小的壓應變)?由于共格Ti3Ni4析出相周圍應力場的各向異性,當在外界應力場作用下時效時,
圖1-6Ti3Ni4相與B2母相的共格取向關系及晶格畸變
圖1-5Ti3Ni4相在基面上的堆垛情況
Ti3Ni4相的四個變體在最適應局部應力的方向上擇優形成,即透鏡厚度方向沿壓應力面而形成,透鏡中心平面方向沿拉應力方向形成,如圖1-6所示?
