窄熱滯Ti-Ni-Cu-Cr合金的馬氏體相變和形狀記憶行為*

賀志榮，王 芳，杜雨青

(1.陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723001 2.陜西理工大學(xué) 圖書館，陜西 漢中 723003)

0 引 言

Ti-Ni形狀記憶合金(SMA)因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)(SME)和超彈性(SE)特性廣受關(guān)注[1]。SME指將合金在母相A(CsCl型結(jié)構(gòu)B2相)狀態(tài)加工成特定形狀，然后冷卻至馬氏體M(單斜結(jié)構(gòu)B19′相)狀態(tài)下將其變形，再加熱到A狀態(tài)后合金回復(fù)特定形狀的現(xiàn)象[2]。SME的機(jī)制是熱誘發(fā)A?M可逆相變[3]。SE指將合金在A狀態(tài)下進(jìn)行遠(yuǎn)超彈性極限的變形，卸載后合金形狀自行恢復(fù)的現(xiàn)象。SE的機(jī)制是應(yīng)力誘發(fā)A?M可逆相變[4]。利用SME可制作熱敏驅(qū)動(dòng)元器件，利用SE可制作減震、阻尼元器件[5]。二元Ti-Ni SMA在使用過(guò)程中尚存在以下問(wèn)題：(1)Ti、Ni價(jià)格貴，在A狀態(tài)下硬度高，較難加工[6]；(2)相變熱滯較寬(約30 ℃)，所制驅(qū)動(dòng)器熱響應(yīng)較慢[7-10]；(3)相變和記憶行為受合金成分和退火、時(shí)效等熱處理工藝影響較大，精確控制較難[11]。在Ti-Ni合金中添加Cu可減小相變熱滯和超彈性應(yīng)力滯后，降低馬氏體相變?cè)偃∠蛄徒缑婺Σ亮?，降低合金性能?duì)成分的敏感性，提高合金的可加工性，當(dāng)Cu的添加量超過(guò)10%時(shí)，Ti-Ni-Cu合金會(huì)變脆[12-14]。另外，以Cu代替Ni還可降低合金成本。在Ti-Ni SMA中添加Cr會(huì)降低馬氏體相變溫度，提高應(yīng)力誘發(fā)馬氏體臨界應(yīng)力，改善形狀回復(fù)特性[15-16]。為了開發(fā)性能優(yōu)異的窄熱滯Ti-Ni基SMA，拓展Ti-Ni基SMA的應(yīng)用領(lǐng)域，本研究通過(guò)在Ti-Ni二元合金中添加5%Cu和0.3%Cr，得到了Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr(原子分?jǐn)?shù))多元合金，本文旨在研究退火態(tài)和時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的相變和形狀記憶行為，并探討形變溫度對(duì)該合金形狀記憶行為的影響規(guī)律，為開發(fā)熱滯窄、相變和形狀記憶行為穩(wěn)定的Ti-Ni基多元SMA提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的原料是純度分別為99.9%、99.7%、99.5%、99.9%的電解鎳、海綿鈦、銅棒的和鉻粒，經(jīng)熔煉、旋鍛、多道次拉拔和道次間退火等工序制成直徑為1 mm的合金絲，每道次變形量在15%～20%之間，拉拔速率<3～9 m/min，兩次退火間總變形量在40%～45%之間，每道間進(jìn)行650～800 ℃退火。合金絲的退火、時(shí)效處理在SKGL-1200C型管式真空熱處理爐中進(jìn)行，用氬氣作為保護(hù)氣，先將石英管抽真空，直到壓力為-0.1 MPa，然后再往里面充氬氣直到壓力為-0.05 MPa。退火工藝：溫度350，400，450，500，550，600，650和700 ℃，分別保溫0.5 h，爐冷。時(shí)效工藝：先在800 ℃保溫0.5 h進(jìn)行固溶水淬處理，后在300，400，500 和600 ℃分別保溫1，5，10，20和50 h進(jìn)行時(shí)效處理，空冷。用TA-Q2000型示差掃描熱分析儀(DSC)分析合金的相變行為，冷卻、加熱溫度范圍為-150～150 ℃，冷卻和加熱速率為10 ℃/min。用CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分析合金絲在不同溫度下的形狀記憶行為，試樣標(biāo)距為50 mm，加載/卸載的速率為2 mm/min，應(yīng)變量取5%。

2 結(jié)果及討論

2.1 退火態(tài)合金的馬氏體相變和形狀記憶行為

2.1.1 馬氏體相變行為

圖1為退火溫度(Tan)對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體(M)相變行為的影響。圖中M代表冷卻時(shí)馬氏體正相變峰，A代表加熱時(shí)馬氏體逆相變峰。在DSC曲線中，峰的出現(xiàn)表明相變發(fā)生，峰的位置反映相變溫度，峰的面積代表相變吸收(放出)的熱量。從圖可以看出，350～700 ℃退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金冷卻/加熱時(shí)發(fā)生A→M/M→A(A-母相B2，CsCl型結(jié)構(gòu)；M-馬氏體B19′，單斜結(jié)構(gòu))一步馬氏體可逆相變[17]，退火溫度不影響此合金的相變類型，該合金具有良好的相變穩(wěn)定性。隨Tan升高，M、A相變峰緩慢向高溫方向移動(dòng)；Tan較低時(shí)，M、A相變峰寬而低，即相變過(guò)程受到的阻力較大；Tan較高時(shí)相變峰高而窄，即相變過(guò)程受到的阻力較小，原因是Tan較低時(shí)，合金組織呈纖維狀，位錯(cuò)密度較高，對(duì)M相變阻礙較大[18]，故相變峰寬而低；Tan較高時(shí)，合金經(jīng)歷了再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，組織呈等軸狀，位錯(cuò)密度和相變阻力減小[19-20]，故相變峰高而窄。Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金穩(wěn)定的相變行為表明，熱加工對(duì)其相變行為影響較小。

圖1 退火溫度對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體相變行為的影響Fig 1 Effect of annealing temperature on martensitic transformation behavior of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy annealed at 350,400,450,500,550,600,650 and 700 ℃ for 0.5 h

這里用DSC曲線上冷卻相變峰溫度TM表示馬氏體相變溫度，用加熱相變峰溫度TA表示馬氏體逆相變溫度，用TA和TM差值ΔT表示馬氏體相變熱滯。圖2給出了Tan對(duì)TM、TA和ΔT的影響?？梢钥闯觯?50～500 ℃退火時(shí)，Tan對(duì)TM和TA的影響不明顯，TM在13.97～14.49 ℃間變化，TA在31.14～31.71 ℃間變化。當(dāng)Tan由500 ℃升到600 ℃時(shí)，TM從14.49 ℃升到19.73 ℃，TA從31.54 ℃升到39.25 ℃。在600～700 ℃退火時(shí)，TM變動(dòng)范圍為19.73～20.88 ℃，TA變動(dòng)范圍為37.64～39.25 ℃。在350～500 ℃退火時(shí)，ΔT逐漸變小；在500～600 ℃退火時(shí)，ΔT逐漸增大；在600～700 ℃退火時(shí)，ΔT先減后增，極小值16.8 ℃在650 ℃退火后取得。由于Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的ΔT僅為17 ℃，屬窄熱滯型SMA，故可用作快速響應(yīng)類元器件材料[21]。

圖2 退火溫度對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體相變溫度TM、馬氏體逆相變溫度TA和相變熱滯ΔT的影響Fig 2 Effect of annealing temperature on martensitic transformation temperature TM,inverse martensitic transformation temperature TA and temperature hysteresis ΔT of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy

冷變形Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金絲退火時(shí)，其相變行為一方面受合金中殘留結(jié)構(gòu)缺陷相互作用的影響，另一方面受冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物應(yīng)力場(chǎng)的影響。Tan較低時(shí)，形變合金內(nèi)應(yīng)力得到釋放，但其成分、結(jié)構(gòu)、組織未變，位錯(cuò)密度較高，殘留織構(gòu)較多，殘余應(yīng)力較大，這些結(jié)構(gòu)缺陷及M相變應(yīng)力場(chǎng)會(huì)對(duì)M相變產(chǎn)生抑制作用，推遲M相變進(jìn)程。隨Tan升高，合金的冷加工態(tài)纖維狀組織發(fā)生再結(jié)晶，內(nèi)應(yīng)力釋放，形變位錯(cuò)密度通過(guò)滑移、攀移降低，M相變阻力減小，TM和TA有所升高[14,22]。當(dāng)Tan為650 ℃時(shí)，合金相變熱滯ΔT因TA降低而變窄。

2.1.2 形狀記憶行為

Tan對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形狀記憶行為、應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺(tái)應(yīng)力(馬氏體再取向應(yīng)力)和殘余應(yīng)變的影響如圖3所示。從圖3(a)可以看出，350～700 ℃退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金加載-卸載-加熱時(shí)呈形狀記憶效應(yīng)，其形變過(guò)程分4個(gè)階段：第一階段為馬氏體彈性變形，由于實(shí)驗(yàn)溫度(20 ℃)低于該合金馬氏體逆相變溫度(40 ℃)，故在該實(shí)驗(yàn)溫度下，合金處于馬氏體態(tài)，加載時(shí)發(fā)生馬氏體彈性變形；第二階段為馬氏體再取向(產(chǎn)生SME的基礎(chǔ))，特征是出現(xiàn)鋸齒狀應(yīng)力平臺(tái)，鋸齒狀應(yīng)力起伏由孿生變形引起[23]，應(yīng)力平臺(tái)則由多變體馬氏體擇優(yōu)變?yōu)閱巫凅w馬氏體造成；第三階段為馬氏體加工硬化，表現(xiàn)為再取向平臺(tái)結(jié)束后曲線斜率增大、應(yīng)力-應(yīng)變曲線翹起；第四階段(即卸載階段)為馬氏體彈性恢復(fù)。卸載并加熱后，合金的殘余應(yīng)變經(jīng)馬氏體逆相變而消失，呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)Tan為350～600 ℃時(shí)，合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，Tan對(duì)其影響較小。當(dāng)Tan達(dá)到650 ℃后，合金的馬氏體再取向應(yīng)力較低。從圖3(b)可以看出，350～600 ℃退火態(tài)合金的馬氏體再取向應(yīng)力在155～162 MPa之間波動(dòng)，殘余應(yīng)變?cè)?.94%～4.0%之間波動(dòng)。退火溫度達(dá)到650和700 ℃時(shí)，合金的馬氏體再取向應(yīng)力分別降至122和128 MPa，殘余應(yīng)變小幅升高，分別為4.15%和4.14%。

圖3 退火溫度對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形狀記憶行為(a)，平臺(tái)應(yīng)力和殘余應(yīng)變(b)的影響Fig 3 Effect of annealing temperature on shape memory behavior (a),platform stress and residual strain (b) of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy annealed at 350,400,450,500,550,600,650 and 700 ℃ for 0.5 h

形狀記憶合金呈現(xiàn)SE還是SME與其組成相、相變溫度和形變溫度有關(guān)，當(dāng)合金處于馬氏體狀態(tài)，且在小于馬氏體逆相變結(jié)束溫度變形時(shí)呈形狀記憶效應(yīng)；當(dāng)合金處于母相狀態(tài)，且在大于馬氏體相變結(jié)束溫度變形時(shí)呈超彈性[23-25]。退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金室溫下由馬氏體相和母相組成，以馬氏體相為主，同時(shí)該合金的相變溫度較高，拉伸試驗(yàn)溫度(40 ℃)小于該合金的馬氏體逆相變結(jié)束溫度，因而350～700 ℃退火態(tài)合金在該溫度下拉伸時(shí)呈現(xiàn)SME。又由于Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金在該溫度下主要以馬氏體狀態(tài)存在，而馬氏體相變時(shí)存在熱彈性效應(yīng)，即該合金加載/卸載后會(huì)存在殘余應(yīng)變，但將其加熱后殘余應(yīng)變回零。此外，Tan為350～600 ℃時(shí)，Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金相變溫度變化不大，故350～600 ℃退火態(tài)合金的馬氏體再取向應(yīng)力和殘余應(yīng)變變化不大；當(dāng)Tan達(dá)到650 ℃后，該合金的相變溫度小幅升高，導(dǎo)致其在該實(shí)驗(yàn)溫度下組織中馬氏體含量增加，而形狀記憶合金中馬氏體相強(qiáng)度、硬度較低，故650 和700 ℃退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的馬氏體再取向應(yīng)力小幅降低，殘余應(yīng)變小幅升高。

2.2 時(shí)效態(tài)合金的馬氏體相變和形狀記憶行為

2.2.1 馬氏體相變行為

圖4給出了時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體相變行為的影響。從圖4可以看出，300～600 ℃/1～50 h時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金冷卻/加熱時(shí)皆發(fā)生A→M/M→A一步馬氏體可逆相變，隨時(shí)效溫度(Tag)升高和時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，M、A相變峰的形態(tài)和位置穩(wěn)定，表明時(shí)效工藝不影響Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的相變類型。

圖4 時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體相變行為的影響Fig 4 Effect of aging on martensitic transformation behavior of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy aged at 300 ℃ (a),400 ℃ (b),500 ℃ (c),600 ℃ (d) for 1,5,10,20,50 h,respectively

圖5給出了時(shí)效工藝對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金TA、TM和ΔT的影響。從圖5可以看出，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，300 ℃時(shí)效態(tài)合金的TM、TA分別在18.4～20.3 ℃、37.4～40.1 ℃之間波動(dòng)，ΔT在17.1～21.2 ℃之間變化；400 ℃時(shí)效態(tài)合金的TM、TA分別在18.9～19.6 ℃、38.8～40.1 ℃之間波動(dòng)，ΔT在19.2～21.2 ℃之間變化；500 ℃時(shí)效態(tài)合金的TM、TA分別在19.6～21.0 ℃、38.8～40.1 ℃之間波動(dòng)，ΔT在17.8～20.5 ℃之間變化；600 ℃時(shí)效態(tài)合金的TM、TA分別在20.3～21.0 ℃、38.8～40.8 ℃之間波動(dòng)，ΔT在17.8～19.8 ℃之間變化。上述結(jié)果表明，與退火態(tài)合金類似，Tag和時(shí)效時(shí)間對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的馬氏體相變行為影響不大。

圖5 時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金TA、TM和ΔT的影響Fig 5 Effect of aging on TA,TM and ΔT of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy aged at 300 ℃ (a),400 ℃ (b),500 ℃ (c),600 ℃ (d) for 1,5,10,20,50 h,respectively

總之，350～700 ℃/0.5 h退火態(tài)和300～600 ℃/1～50 h時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金冷卻/加熱時(shí)皆發(fā)生A→M/M→A一步可逆馬氏體相變，TM和ΔT的變化范圍分別為14～21 ℃和17～21.0 ℃?？梢?，該合金的相變行為穩(wěn)定，受熱處理工藝影響較小，這也為性能穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。SMA元件的開關(guān)溫度由其相變溫度決定，根據(jù)元件對(duì)使用場(chǎng)合的不同要求，可采用不同相變溫度的合金[26]。SMA元器件運(yùn)行的溫度范圍由合金相變熱滯決定，相變熱滯越窄，元件動(dòng)作溫度范圍越小，對(duì)溫度變化越敏感，可用作高溫敏元器件；相反，一些連接部件則需采用相變熱滯寬的SMA[21]。由于Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體相變行為穩(wěn)定，相變溫度接近室溫，熱滯較窄，故適合用于制作溫敏元器件。

2.2.2 形狀記憶行為

圖6給出了時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形狀記憶行為的影響。從圖可知，與退火態(tài)合金類似，300～600 ℃/1～50 h時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形變過(guò)程亦分為馬氏體彈性變形、馬氏體再取向、馬氏體加工硬化和馬氏體彈性恢復(fù)4個(gè)階段；馬氏體再取向階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線亦呈現(xiàn)由孿生變形引起的鋸齒狀；加載-卸載-加熱后合金亦顯示形狀記憶效應(yīng)。

圖7給出了時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金平臺(tái)應(yīng)力和殘余應(yīng)變的影響。從圖7(a)可以看出，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，300 ℃時(shí)效態(tài)合金的平臺(tái)應(yīng)力由1 h的102.5 MPa降低至5 h的83.3 MPa，再升高至50 h的118.4 MPa；400 ℃時(shí)效態(tài)合金的平臺(tái)應(yīng)力由1 h的102.1 MPa降至5 h的87.1 MPa，隨后趨于穩(wěn)定；500 ℃時(shí)效態(tài)合金的平臺(tái)應(yīng)力由1 h的82.7 MPa升高至20 h的99.6 MPa，隨后趨于穩(wěn)定；600 ℃時(shí)效態(tài)合金的平臺(tái)應(yīng)力波動(dòng)較大，在77.6～102.0 MPa之間變化。從圖7(b)可以看出，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，300、400、500和600 ℃時(shí)效態(tài)合金的殘余應(yīng)變較穩(wěn)定，分別在4.9%～5.3%、4.8%～5.3%、5.2%～5.4%、5.1%～5.4%之間波動(dòng)。

圖7 時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金平臺(tái)應(yīng)力(a)和殘余應(yīng)變(b)的影響Fig 7 Effect of aging on platform stress (a) and residual strain (b) of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy aged at 300 ℃,400 ℃,500 ℃,600 ℃ for 1,5,10,20,50 h,respectively

綜上，不同時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的平臺(tái)應(yīng)力不盡相同，但其殘余應(yīng)變較穩(wěn)定。SMA合金的平臺(tái)應(yīng)力與其相變溫度相關(guān)，相變溫度越高，平臺(tái)應(yīng)力越低。Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的相變溫度隨Tag和時(shí)效時(shí)間的增加而小幅波動(dòng)，相變溫度的小幅波動(dòng)導(dǎo)致馬氏體再取向平臺(tái)應(yīng)力產(chǎn)生波動(dòng)。該合金殘余應(yīng)變較穩(wěn)定的原因如下：由于實(shí)驗(yàn)溫度低于該合金的馬氏體逆相變溫度，故各時(shí)效態(tài)合金均處于馬氏體態(tài)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線中馬氏體彈性變形、彈性恢復(fù)曲線斜率相同，變形能力相當(dāng)，故卸載后殘余應(yīng)變較穩(wěn)定。對(duì)于呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金而言，馬氏體再取向平臺(tái)越長(zhǎng)，殘余應(yīng)變?cè)椒€(wěn)定，則形狀記憶性能越好[27-29]。由圖6可以看出，400 ℃時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金具有較穩(wěn)定的形狀記憶效應(yīng)。

圖6 時(shí)效處理對(duì)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形狀記憶行為的影響Fig 6 Effect of aging on shape memory behavior of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy aged at 300 ℃ (a),400 ℃ (b),500 ℃ (c),600 ℃ (d) for 1,5,10,20,50 h,respectively

2.3 變形溫度對(duì)合金形狀記憶行為的影響

圖8給出了變形溫度(Td)對(duì)350～700 ℃退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形狀記憶行為的影響。由圖8可以看出，隨Td升高，合金特性由SME轉(zhuǎn)變?yōu)镾E，轉(zhuǎn)變溫度在50～60 ℃之間。隨Td升高，合金應(yīng)力-應(yīng)變平臺(tái)應(yīng)力升高，殘余應(yīng)變降低，超彈性改善。在不同Td下，不同退火態(tài)合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺(tái)皆存在因?qū)\生變形而引起的鋸齒狀應(yīng)力起伏現(xiàn)象。

圖8 變形溫度對(duì)退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金形狀記憶行為的影響Fig 8 Effect of deformation temperature on shape memory behavior of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy annealed at 350 ℃ (a),400 ℃ (b),450 ℃ (c),500 ℃ (d),550 ℃ (e),600 ℃ (f),650 ℃ (g),700 ℃ (h) for 0.5 h

圖9給出了Td對(duì)350～700 ℃退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金平臺(tái)應(yīng)力和殘余應(yīng)變的影響。由圖9(a)可看出，當(dāng)Td由20 ℃升高至80 ℃時(shí)，合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺(tái)應(yīng)力增加，其中，350 ℃退火態(tài)合金的平臺(tái)應(yīng)力由110 MPa增至367 MPa；400 ℃退火態(tài)合金的由101 MPa增至379 MPa；450 ℃退火態(tài)合金的由89 MPa增至408 MPa；500 ℃退火態(tài)合金的由82 MPa增至419 MPa；550 ℃退火態(tài)合金的由52 MPa增至426 MPa；600 ℃退火態(tài)合金的由50 MPa增至442 MPa；650 ℃退火態(tài)合金的由51 MPa增至393 MPa；700 ℃退火態(tài)合金的由65 MPa增至415 MPa。由圖9(b)可看出，當(dāng)Td由20 ℃升高至80 ℃時(shí)，合金的殘余應(yīng)變先降低后小幅升高。例如，350 ℃退火態(tài)合金的殘余應(yīng)變由20 ℃變形時(shí)的4.95%降至60 ℃變形時(shí)的0.99%再升高為80 ℃變形時(shí)的1.88%。

圖9 變形溫度對(duì)退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金平臺(tái)應(yīng)力(a)和殘余應(yīng)變(b)的影響Fig 9 Effect of deformation temperature on platform stress (a) and residual strain (b) of Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr alloy annealed at 350,400,450,500,550,600,650 and 700 ℃ for 0.5 h

350～700 ℃退火態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金馬氏體逆相變溫度均低于60 ℃，因此，當(dāng)變形溫度為20和40 ℃時(shí)合金呈形狀記憶效應(yīng)SME；當(dāng)變形溫度為60和80 ℃時(shí)合金呈超彈性SE，故隨Td升高，合金特性由SME轉(zhuǎn)變?yōu)镾E。室溫下，Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金由馬氏體相和母相組成，以馬氏體為主。隨Td升高，合金中馬氏體相和母相占比因馬氏體逆相變而變化。Td越靠近馬氏體逆相變溫度，則馬氏體逆相變進(jìn)行程度越高，合金組織中強(qiáng)度、硬度較高的母相占比越大，應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺(tái)高度越高，殘余應(yīng)變?cè)缴?，SE越好。當(dāng)Td達(dá)到80 ℃時(shí)，由于其遠(yuǎn)高于合金的相變溫度，此時(shí)加載/卸載后，引入了部分塑性變形，因而使合金的不可逆殘余應(yīng)變?cè)黾?，SE變差。

3 結(jié) 論

(1)350～700 ℃/0.5 h退火態(tài)和300～600 ℃/1～50 h時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金冷卻/加熱時(shí)的相變類型相同，皆為A→M/M→A一步可逆馬氏體相變；馬氏體相變溫度比較穩(wěn)定，TM在14～21 ℃之間變化；相變熱滯較窄，ΔT在17～21 ℃之間波動(dòng)。該合金穩(wěn)定的相變溫度和較窄的相變熱滯使其適合于制作快速響應(yīng)類形狀記憶元器件。

(2)室溫下，350～700 ℃/0.5 h退火態(tài)和300～600 ℃/1～50 h時(shí)效態(tài)Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金皆呈形狀記憶效應(yīng)。350～600 ℃/0.5 h退火態(tài)合金的馬氏體再取向應(yīng)力在155～162 MPa之間變化，殘余應(yīng)變?cè)?.9%～4.0%之間波動(dòng)，當(dāng)退火溫度升至650 ℃后，合金的馬氏體再取向應(yīng)力降低，殘余應(yīng)變?cè)黾?。時(shí)效態(tài)合金的馬氏體再取向應(yīng)力在77～118 MPa之間變化，殘余應(yīng)變?cè)?.8%～5.4%之間波動(dòng)。

(3)隨變形溫度升高，Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的應(yīng)力應(yīng)變平臺(tái)應(yīng)力增加，殘余應(yīng)變減少，合金特性由SEM轉(zhuǎn)變?yōu)镾E，轉(zhuǎn)變溫度在50～60 ℃之間。