固溶处理后合金 Af值随热处理温度升高, 变化为 20 e 左右。固溶+时效处理后,随时效时间延长, Af值有上升,但变化不大。谢庆峰等对固溶后的Ti25018Ni合金进行了时效处理 结果发现, Af值可下降20~ 30 e左右 ,而 Ms变化不大。另外, 通过适当的热处理工艺可以调节 Ti-NiSMA的相变温度, 在 300~ 500 e 时效处理保温时间越短,Af温度降低越明显在相同保温时间时,温度越低,Af温度降低越明显。
不同固溶处理温度、时间,其相变过程基本类似,对合金的Af 几乎没有影响。杨宏进等对Ti2xN(x= 4919, 5010, 5011) 012mm的原板材经800 e ,@15min水冷,800e@30min水冷及900e@30min水冷处理,用 DSC测得合金的 Af值均接近 80 e,验证了上述结论。时效处理仅对Ni含量大于5016% 的合金相变温度及 SME产生影响。400~ 500e时效析出Ti3Ni4 粒子,约束应力使得 Ti3Ni4 产生择优取向,引起双程记忆效应。约束时效后, 相变温度 Af值明显升高,时间越长,Af越高。
3.3 应变状态
近年来,人们开始转入对预应变 Ti-Ni SMA的逆相变行为。在小应变条件下, As点的升高是由于预应变释放了马氏体的弹性应变能,大应变条件下 As点的升高是由于缺陷阻碍的结果。通过研究发现冷轧 Ti-Ni形状记忆合金的马氏体逆相变开始温度As随着冷轧度的增加而升高,并认为其主要机制是冷轧形成的位错、空位等缺陷阻碍了马氏体逆转变。
Ti-Ni合金经过适当的热处理后, 可以获得优良的 SME和 SE特性, 同时也可以获得较好的耐磨性能。 3.3.1 SME和 SE及其影响因素
Ti-Ni二元合金的相变行为和 SME特性强烈地依赖于 Ni含量、热处理工艺。研究表明 , Ti-Ni合金要在室温下完全获得 SME,M相变结束温度 (Mf)应在室温以上, 故合金的 Ni含量应小于 5010%。研究发现, Ti-Ni合金在 673~ 773 K温度范围内退火后, SME特性良好, 当退火温度高于 823 K时,SME恶化。这是因为退火温度过高时, 合金的屈服强度将降低,故对 SME特性不利.
合金成分、热处理、加工状态等对 Ti-Ni的 SE 特性有着重要的影响.Ti-Ni合金的 SE特性与 Ni含量有很大关系,且近等原子比和富镍T i2N合金的 SE特性要优于贫镍 Ti-Ni合金。文献也表明了合金元素如 V和 Cr加入后会使合金更容易地获得 SE。另外, O、N元素的加入会降低合金的相变温度,恶化合金的 SME、SE。
应强调的是,由于 Ti-Ni合金的 SME、SE受多种因素影响,因此在实际中,需综合考虑合金成分、加工状态、热处理以及其它工艺因素。 3.3.2 耐磨性及其影响因素
与典型的耐磨材料相比, Ti-Ni合金的硬度较低,但其耐磨性非常优良,甚至超过普通耐磨材料 。研究发现, Ti-Ni合金优异的摩擦性能主要来源于合金的相变超弹性,另外其良好的应变硬化效应、热硬性、耐腐蚀等特性也有助于合金的耐磨性。
对不同 Ni含量的 Ti-NiSMA的抗磨损性能进行了研究。结果表明: Ti-Ni SMA的抗磨损性能主要取决于合金的硬度和相组成。对于相组成为B+ M的 Ti-Ni合金来说, 其硬度的大小取决于 B相含量, B相含量越高,合金的硬度越高,而对于含马氏体相的合金来说其硬度变化又受到 Ni含量的强烈影响。在干摩擦条件下, 含单一 B相合金的抗磨损量是单相马氏体合金的5倍左右。
研究表明: 经此工艺及退火处理后的 Ti-Ni合金由于发生了严重的塑性变形,导致晶粒细化,从而提高了合金抗塑性变形的能力,改善了合金的耐磨性。
4 Ti-Ni基记忆合金的性质及特点
近等原子比的Ti-Ni基记忆合金是最早得到应用的一种记忆合金。由于其具有优异的形状忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。
Ti-Ni基记忆合金的相变温度对成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就会引起相变温度降低10℃，添加的第三元素对Ti-Ni 合金相变温度的影响也很大。具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性；
研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料，是目前应用最为广泛的形状记忆材料。
Ti-Ni基记忆合金的特点：
a) 机械性质十分优良，能恢复的形变可高达10％（一般金属材料＜
0.1％）；
b) 加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa； c) 无通常金属呈现的“疲劳断裂”现象；
d) 可感受温度、外力变化并通过调整内部结构来适应外界条件——对环
境刺激的自适应性。
5 Ti-Ni基记忆合金的应用
Ti-Ni基记忆合金的应用已遍及航空、航天、机械、电子、能源、医学以及日常生活中。
在航天、航空方面将TiNi合金丝在母相状态下制成天线后，冷至低温使其转变为较软的马氏体，折叠成体积很小的团状。待进入太空后，被弹出，在受太阳光辐射升温，温度高于Af后，团状天线便自动展开，恢复其母相的形状即工
作状态。
在电子及机械工程方面应用有管接头、紧固圈、连接套管、紧固铆钉等。 优点：夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷； 适于不易焊接的接头，如严禁明火的管道连接、焊接工艺难以进行的海底输油管道修补等；金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；安装时不需要熟练的技术。
在工程和建筑领域用 TiNi 形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。
在生物医学方面，血栓过滤器：将马氏体状态的NiTi合金丝通过导管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打碎，并阻止其流向心脏。人工心肌纤维：将NiTi丝包裹在弹性体制成的人工心脏外部，周期性地给以电脉冲加热，则可使心脏伸缩运动。
在日常生活方面电加热水壶的手柄控制器、暖气阀门、防烫伤阀、空调调节器、电冰箱自动开关、高温报警装置等。
特点：结构简单、可靠性高、成本低。
6 结束语
Ti-Ni形状记忆合金及其工程应用研究虽然已经取得了很大进展,但由于它的跨学科复杂性,许多工作尚有待于进一步研究。
SMA薄膜及多孔材料具有很大的应用前景,综合研究合金成分、热处理工艺、加工状态、热循环及应力循环对 SMA相关特性的影响, 具有很重要的理论和实际意义。
由于 SMA是集感应和驱动为一体的智能材料,深入研究其响应时间与温度、应力、合金成分的关系,提出适合工程应用的结构模型。
SMA和其它材料一样, 也具有疲劳特性, 深入研究与 SMA疲劳特性有关的因素, 通过添加合金元素或研究新的加工工艺,进而达到调整合金的硬度,这对改善 Ti-Ni合金的综合力学性能有着重要的作用。
在某些特定场合下, 由于受周期性的循环应力, SMA的形状记忆特性会随循环次数的增加而衰减,甚至产生疲劳断裂。因此进一步研究如何提高SMA的疲劳特性就显得尤为重要。
为适应不同工程领域的实际需求,进一步研究SMA在与其它材料复合时的连接效能问题, 并深入研究加载频率、应力状况、相组成、温度等对合金使用效能的影响,从而提高合金的工程应用周期。
由于受 SMA的加工技术及价格的影响, 目前的研究成果大部分是基于小尺寸、丝材或薄膜态 SMA作为试验材料,而且也仅限于对简单的工程结构进行控制分析,因此研制大尺寸 SMA在土木、桥梁等大型工程方面的应用以及尺寸效应对合金性能的影响显得相当重要。
参 考 文 献
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