振动时效对NiTi记忆合金双程记忆应变的影响

具有双程记忆效应的 NiTi 合金可能在振动环境下服役，根据振动时效释放钢铁、铝合 金构件残余应力的研究结果，振动可能对形状记忆合金双程记忆有影响。本文研究了振动时 效对形状记忆合金双程记忆应变的影响。
2． 实验方法
用线切割将有色金属研究总院提供的近等原比的 NiTi 形状记忆合金板切成尺寸为 1.3mm×0.9mm×140mm 的样品若干，然后在 600℃时效 30min 后空冷。形状记忆合金产生 双程记忆效应的方法很多，本文采用的方法是先将时效后的样品进行不同程度的预应变 (6.25%，8.27%，10.25%，12.95%，15.09%，18.24%)，然后将预应变后的样品在-20℃至 180℃ 之间进行 5 次热循环来获得稳定的双程形状记忆效应。从热循环后的样品上截取一段用于热 膨胀测试，测试样品升降温过程中的膨胀量，计算出样品的双程记忆应变。剩余部分进行振
1． 引 言
NiTi 形状记忆合金由于具有良好的形状记忆效应、超弹性、耐蚀性与生物相容性而得 到广泛应用。NiTi 合金通过热机械训练后，在随后的加热和冷却循环中，能重复记住高温 状态和低温状态的形状，这一现象被称为双程形状记忆效应[1,2]。而对于双程形状记忆效应 的机理，学者们普遍认为其源于训练期间塑性变形引入缺陷造成的残余应力场[3,4]。
（a）预应变 6.25%
before vibration after vibration
20
3.0 2.5
2.0
strain(%)
1.5
1.0
0.5
0.0
40
60
80
100
120
140
20
Temperature(℃)
（c）预应变 10.25%
before vibration after vibration
strain(%)
1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
20
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
20
before vibration
after vibration
2.5
2.0
strain(%)
1.5
1.0
0.5
0.0
40
60
80
100
120
140
Temperature(℃)
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图 4 双程应力场模型 (a)预应变后；(b)加热后(T>Af)；(c)冷却后(T<Ms)
众所周知，NiTi 合金在拉伸过程中先是自适应马氏体的弹性变形；其次是马氏体再取 向过程，再取向过程持续进行一段后结束，然后发生取向马氏体的弹性变形和不可逆塑性变 形。这一过程中将在 NiTi 合金中引入位错，形成沿轴向的残余应力场。我们将变形后的 NiTi 合金内部划分成可逆变形区与不可逆变形区。可逆变形区对应于可以发生可逆马氏体相变的 区域，而不可逆变形区对应于塑性变形而不能发生可逆马氏体相变的区域，如图 4(a)所示， 图中椭圆形区域表示不可逆变形区，其它区域表示可逆变形区。在升温过程中，当温度高于 逆马氏体相变温度时，可逆变形区将发生相变而收缩，使不可逆塑性变形区（位错应力场处） 受压应力作用，而可逆变形区则受拉应力作用，如图 4(b)所示。在降温过程中，当温度冷却 到 Ms 时，可逆变形区发生正马氏体相变，由于马氏体强度低，此时在拉应力的作用下，马 氏体将会沿应力场方向优先形核、长大，使样品伸长，如图 4(c)所示。此时，不可逆变形区 仍存在很小的压应力。随后的热循环将重复上述升降温过程而表现出双程记忆效应。对于变 形较小的样品，内部不可逆塑性变形区较小，加热逆转变后产生的残余应力较小，冷却时对 可逆变形区的作用力也较小，因此，可逆变形区伸长量较少，从而双程应变较小；对于变形 较大的样品，内部不可逆塑性变形区较大，加热逆转变时，其抵抗可逆变形区域收缩的能力 也较大，使样品的收缩量较小，从而使双程应变较小。由此看来，在预变形过程中，必定存 在一个最佳的变形量，在此应变量下，可逆变形区与不可逆变形区在升降温过程中相互作用 产生的双程应力场达到一个最佳值，使 NiTi 合金在宏观上输出最大的双程应变。
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参考文献
[1] Y N Liu, P G McCormick, Factors influencing the development of two-way shape memory in NiTi. Acta Metall Mater, 1990, 38(7): 1321-1326 [2] H Scherngell, A C Kneissl, Training and stability of the intrinsic two-way shape memory effect in NiTi alloys. Scripta Mater, 1998, 39(2): 205-212 [3] R Stalmans, J V Humbeeck, L Delaey, The two way memory effect in copper-based shape memory alloys-thermodyamics and mechanisms. Acta Metall Mater, 1992, 92: 2921-2931 [4] P Y Manach, D Favier, Origin of the two-way memory effect in NiTi alloys. Scripta Metall, 1993, 28: 1417-1421 [5] 汤小牛,刘久明编,振动时效,机械工业部济南铸造锻压机械研究所,1999 [6] G P Wozney, G R Crawmer, An investigation of vibrational stress relief in steel, Welding Journal, 1968, 9: 411-419 [7] R Dawson, D G Moffat, Vibratory stress relief: A fundamental study of its effectiveness, J Eng Mater Technol, 1980, 102: 169-176 [8] M N James, Constant and variable amplitude loading of 6261 aluminum alloy, Int J Fatigue, 1997, 19(2): 125-133 [9] C A Walker, A J Waddell, D J Johnston, Vibratory stress relief – an investigation of the underlying processes, J Prog Mech Eng, 1995, 209: 51-58 [10] A S M Y Munsi, A J Waddell, C A Walker, Vibratory stress relief – an investigation of the torsional stress in welded shafts, Journal of Strain Analysis for Engeering Design, 36 (5), 2001, 453-464 [11] A S M Y Munsi, A J Waddell, C A Walker, The influence of vibratory treatment on the fatigue life of welds: A comparison with thermal stress relief, Strain, 37(4), 2001: 141-149 [12] A S M Y Munsi, A J Waddell, C A Walker, Modification of residual stress by post-weld vibration, Mater. Sci. Tech., 2001, 17(5): 601-605 [13] 宋天民,张国福,尹成江,振动时效机理的研究,吉林大学自然科学学报, 1995, 1: 53-55 [14] Y N Liu, Y Liu, J V Humbeeck, Two-way shape memory effect developed by martensite deformation in NiTi alloy, Acta Mater, 1999, 47: 199-209
100
120
140
Temperature(℃)
（e）预应变 15.09%
（f）预应变 18.24%
图 2 不同预应变样品热循环 5 次后振动样品与未振动样品的双程应变回复量对比
Two-way memory strain(%)
before vibration
3.0
after vibration
2.5
2.0
1 本课题得到国家自然科学基金项目（项目编号：50671120）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（项 目编号：20050425002）的资助。
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动时效，从振动后的样品上同样截取一段用于测试膨胀量，计算双程应变。热膨胀测试是在 WDT-II 热膨胀仪上进行的。振动试验装置如图 1 所示，信号发生器产生正弦信号，通过功 率放大器后输入到激振器产生激振力，然后通过刚性棒作用到试样上。振动的幅度是通过调 节功率放大器输入电流的大小来实现的。激振器在 50Hz 频率下的力常数为 12.9N/A。实验 中激振频率为 60Hz。实验中激振器的输入电流为 2A，则 NiTi 样品上的激振力大小约为 22MPa。
刚性棒
夹头
NiTi 丝
信号发生器
功率放大器
激振器
图 1 振动时效对双程应变影响的装置示意图
丝杠
3． 结果与讨论
图 2 是不同预应变的 NiTi 合金热循环 5 次后振动与未振动样品的双程应变回复量对比。 从图中可以看出，当预应变为 6.25%，8.27%，15.09%，18.24%时，振动后样品的双程记忆 应变量增加；当预应变为 10.25%，12.95%时，振动后样品的双程记忆应变量反而减小。