NiTi形狀記憶合金熱變形行為研究

鐘益平

（上海云鑄三維科技有限公司，上海 200000）

形狀記憶合金是一種特殊的金屬材料，其在具備金屬特性的同時還具有形狀記憶效應(yīng)，被公認為是金屬基功能材料的典型代表[1，2]。因此，該類型合金應(yīng)用十分廣泛，其中包括航天飛機天線、載人飛船軸承、微創(chuàng)手術(shù)刀、人造關(guān)節(jié)、新能源汽車等。NiTi形狀記憶合金作為新型金屬功能材料，目前發(fā)展極為迅速。但是，現(xiàn)階段研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該體系的合金強度與硬度尚需要一定的提升空間。為此國內(nèi)外學(xué)者通過對合金成分的調(diào)整、添加新的合金元素，力求提高其力學(xué)性能。但是，隨著強度和硬度的提高，該合金出現(xiàn)了熱變形困難的問題，嚴重制約了該體系合金的應(yīng)用[3，4]。基于此，本文對NiTi形狀記憶合金的熱變形行為進行了研究，揭示了工藝參數(shù)對m值、Q值的影響規(guī)律，建立了變形本構(gòu)方程。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本研究中的材料為通過多次真空熔煉的NiTi合金鑄錠，名義成分如表1所示。

表1 NiTi形狀記憶合金名義成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.2 實驗方法

實驗設(shè)備及工藝如表2所示。

表2 實驗設(shè)備及工藝

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 NiTi合金真應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1為NiTi形狀記憶合金800℃、900℃下不同應(yīng)變速率（0.005-10s-1），變形量為0.7時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變應(yīng)變速率的增加該合金的峰值流變應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力均增大，且變化規(guī)律較為相似。對于金屬材料而言應(yīng)力-應(yīng)變曲線是其熱變形加工過程變形抗力變化特征的體現(xiàn)。該合金熱變形抗力的變化趨勢為先迅速增大，達到峰值后下降，然后有一段微小的上浮波動，但總體為降低趨勢，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)。流變應(yīng)力的變化是由于合金在熱變形過程中發(fā)生了位錯運動與微觀組織轉(zhuǎn)變，位錯纏結(jié)導(dǎo)致應(yīng)力上升，晶界滑移與動態(tài)再結(jié)晶使得應(yīng)力下降。

2.2 應(yīng)變速率敏感性指數(shù) （m）

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)（m）是衡量金屬材料熱成形性能好壞的重要參數(shù)之一，m值越大成形性能越好，當(dāng)m值大于0.3時，材料具備超塑性成形性能。另外，m值還能直觀的表征應(yīng)變速率對材料加工性能的影響。

圖2為NiTi形狀記憶合金應(yīng)變速率?與流變應(yīng)力σ之間的關(guān)系曲線，圖中直線的斜率即為m值，計算結(jié)果如表3所示。

圖2 NiTi合金真應(yīng)力應(yīng)變曲線

表3 NiTi合金的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)（m）

從表3中可以看出，NiTi合金不同熱變形工藝條件下的m值在0.15-0.24之間，m值小于0.3，該合金在上述變形條件下不具備超塑性。

m值的變化規(guī)律呈現(xiàn)隨著溫度的升高先增大后減小的趨勢，在1000℃時達到最大值，為0.25。當(dāng)溫度升高至1100℃時，m值略下降，相比于800℃以下溫度，提高溫度有利于該合金的熱變形。但是，在工藝制定時還需要考慮微觀組織穩(wěn)定性因素，變形溫度過高會導(dǎo)致晶粒尺寸長大，造成組織不穩(wěn)定。

2.3 變形激活能（Q）

金屬材料熱變形過程的物理本質(zhì)是能量的耗散與再分配過程，無論是位錯運動還是組織轉(zhuǎn)變都要經(jīng)歷能量的變化。因此變形激活能（Q）值能夠真實的反應(yīng)材料熱變形機理。

圖 3、 圖 4分 別 為 NiTi合 金 ln?-ln[sinh(ασ)]與ln[sinh(ασ)]-1/T的變化曲線。

圖3 ln?-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線

圖4 ln[sinh(ασ)]與1/T的關(guān)系

將圖3、圖4中的斜率帶入下式中，計算該合金的熱變形激活能，Q=287.28kJ/mol。

2.4 本構(gòu)方程

金屬材料熱變形過程通常遵循Arrhennius方程，如下所示：

式中，?-應(yīng)變速率，σ-流變應(yīng)力，Q-激活能，其余參數(shù)均為常數(shù)（與溫度無關(guān)），對上式進行數(shù)學(xué)變換可得：

取圖5（a）中各直線斜率的平均值，得n1=4.93；取圖3.6（b）中各直線斜率的平均值得β=0.02038，所以α=β/n1=0.0041。根據(jù)Zener-Holloman參數(shù)（Z）模型，繪制lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線，如圖5所示。通過計算可得n=3.63493，A=e26.43151。

圖5 不同變量之間的關(guān)系

圖6 lnZ -ln[sinh(ασ)]關(guān)系圖

根據(jù)Arrhenius方程，將各參數(shù)帶入，可獲得NiTi合金熱變形本構(gòu)方程，如下所示：

其中 ：Z=e26.43151[ sinh (0 . 00413ó)]3.63493。

3 結(jié)論

（1）隨著應(yīng)變應(yīng)變速率的增加，NiTi合金的峰值流變應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力均增大，且不同工藝條件下的變化特征相似；

（2）該合金Arrhennius本構(gòu)關(guān)系模型為：

其中 ：Z=e26.43151[ sinh (0 . 00413ó)]3.63493。

（3）NiTi合金應(yīng)變速率敏感性指數(shù)（m）在0.15-0.24之間，變形激活能（Q）為287.28kJ/mol。