田陸飛,王 琦,劉 振,石運中,賈麗莉,田 磊

(濟南大學材料科學與工程學院,山東 濟南 250022)

熱處理對Cu-Zn-Al合金形狀記憶效應的影響

田陸飛,王 琦,劉 振,石運中,賈麗莉,田 磊

(濟南大學材料科學與工程學院,山東 濟南 250022)

為提高Cu-Zn-A l形狀記憶合金在應用過程中的穩(wěn)定性及使用壽命,研究了在 SM E(Shape Memo ry Effect)法訓練條件下,熱處理過程中不同的淬火介質對Cu-Zn-A l形狀記憶合金形狀記憶效應的影響.研究結果表明:使用不同的淬火介質,Cu-Zn-A l合金具有不同的形狀記憶效應和不同的馬氏體形貌,當淬火介質為冷水、冷油、沸水、沸油時,合金的形狀記憶效應依次提高,馬氏體形貌依次變得更為細小致密;隨著訓練次數(shù)的增加,位錯增加,晶格原子有序度降低,形狀記憶效應先急劇下降,后緩慢下降并趨于穩(wěn)定.

Cu-Zn-A l形狀記憶合金;淬火介質;形狀記憶效應

形狀記憶合金是利用應力和溫度誘發(fā)相變的機理來實現(xiàn)形狀記憶功能的,是一種兼有感知和驅動功能于一體的新型功能材料,因其獨特的形狀記憶性能,使其在航空航天業(yè)、核工業(yè)及普通工業(yè)中有著廣闊的應用前景.其中銅基形狀記憶合金具有材料來源廣泛、造價低廉和易加工成型等優(yōu)點,更具有實用意義而受到重視[1].形狀記憶效應的好壞及穩(wěn)定性,是決定銅基形狀記憶合金工業(yè)實用性的關鍵指標.為了更準確更全面地認識銅基形狀記憶合金,本文選用了具有代表性的Cu-Zn-A l合金作為研究對象,研究了在SM E法訓練條件下,不同的淬火方式對Cu-Zn-A l合金形狀記憶效應的影響,并從理論上解釋了其內在的機理.

1 實驗部分

1.1 試樣的制備與處理

實驗用試樣為70Cu-26Zn-4A l形狀記憶合金,原料為w(Cu)＞99%的電解銅、w(A l)＞99%的鋁錠和w(Zn)＞99%的金屬鋅.將原料按比例置于中頻感應爐中進行熔煉并制成合金鑄錠,所制鑄錠經(jīng)擴散退火后置于850℃的箱式電爐中均勻化處理23 h,再隨爐冷卻,車去3 mm的外皮,然后進行鍛造、軋制,把合金鑄錠制成直徑約為4 mm的圓棒,再將所制的圓棒冷拉成絲,在各次冷拉之間進行550℃中間退火處理,以消除加工硬化,最后一次拉伸變形后不再進行退火處理,保留冷加工態(tài),最后將最終得到的直徑為2 mm的絲,截成長為100 mm的若干段并校直.

為使試樣在測試前記憶的形狀為直線,將校直的絲段約束在不銹鋼管中,在800℃下保溫10min,然后進行淬火,淬火介質分別為冷水、沸水、冷油、沸油,最后進行上淬處理,即放入沸水中時效10 min后空冷至室溫.上淬的目的是為了盡量避免馬氏體穩(wěn)定化[2].

1.2 形狀記憶訓練及測試

采用SM E(Shape M emo ry Effect)訓練法[3],進行形狀記憶訓練及測試.如圖1所示,室溫下將處理好的試樣在自制的角度訓練儀上均勻彎曲變形90°后穩(wěn)定,放開約束后試樣彈性回復到A處穩(wěn)定,然后將試樣放入沸水中,其發(fā)生單程形狀記憶,回復到B處穩(wěn)定.如此循環(huán)60次,每次分別記錄∠A和∠B的度數(shù).試樣形狀回復率η=(∠A-∠B)/∠A.1.3 微觀組織

圖1 角度訓練儀示意圖Fig.1 The schematic of angle training meter

圖2 固溶溫度800℃下不同淬火方式的金相照片,400×(a)冷水淬火;(b)冷油淬火;(c)沸水淬火;(d)沸油淬火Fig.2 Metallographic photosof the alloy quenched in different media after solid-solution treatment at 800℃

制好的試樣用5 g三氯化鐵+15 mL鹽酸+60 mL水配成的溶液腐蝕,用JPC-2C型立式金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織.

2 結果與討論

2.1 實驗結果

2.1.1 金相組織

圖2為CuZnA l合金經(jīng)800℃熱處理后,經(jīng)不同的淬火介質淬火后的金相照片.從圖2可以看出,淬火后的合金組織均為典型的板條狀馬氏體,并且馬氏體形貌取向一致.經(jīng)冷水、冷油、沸水、沸油淬火后的合金,馬氏體形貌依次變得更為細小,組織更為致密.

2.1.2 淬火介質及訓練次數(shù)對形狀記憶效應的影響

形狀回復率η的測試結果見圖3.從圖3可見:當淬火介質依次為沸油、沸水、冷油、冷水時,形狀回復率η依次降低,淬火介質為沸油時,形狀回復率η值最高;隨著訓練次數(shù)的增加,四個試樣訓練初期的形狀回復率都急劇下降,隨著訓練次數(shù)的增加,回復率先緩慢下降后趨于穩(wěn)定.以沸油淬火試樣為例,當訓練次數(shù)N＜10次時,合金的形狀回復率η降低了40%,每訓練1次平均降低4%;當訓練次數(shù)10＜N＜60次時,合金的形狀回復率η降低了30%,每訓練1次平均降低0.6%;訓練初期η下降幅度較大,從訓練次數(shù)N=1次至N=60次,合金形狀回復率降低了70%.

圖3 淬火介質及訓練次數(shù)對Cu-Zn-A l形狀記憶合金形狀記憶效應的影響Fig.3 Effect of the quenchingmedium and training timeson the Cu-Zn-A l shapememo ry alloy

2.2 討 論

在熱處理過程中,由于冷卻介質的不同,CuZnA l形狀記憶合金會發(fā)生了B2或DO3的有序轉變,轉變成9R或18R馬氏體,具體的轉變過程為A2(無序β相)→B2(有序β2相)→DO3(有序)→18R馬氏體或A2(無序β相)→B2(有序β2相)→9R馬氏體[4-5].

經(jīng)800℃保溫后淬入冷水、冷油中的合金,由于B2→DO3的轉變不充分,形成了部分9R馬氏體和部分18R馬氏體[6-7],9R馬氏體和18R馬氏體會相互影響各自與母相的共格關系,從而影響其形狀記憶效應;而淬入沸水、沸油中的合金,因合金組織在DO3溫度區(qū)充分停留,B2幾乎完全轉變?yōu)镈O3,冷卻至Mf點以下的馬氏體繼承了DO3母相的有序結構,形成了18R馬氏體.9R馬氏體的過飽和空位濃度高于18R馬氏體,而18R馬氏體的有序度、致密度均高于9R馬氏體[8-10],這與圖2所示的金相照片相符.由于結構有序化是絕大多數(shù)形狀記憶合金具有形變性能和形狀記憶效應的重要條件,結構有序化程度越高,形變性能和形狀記憶效應越好.因此,沸水、沸油淬火后的合金比冷水、冷油淬火后的合金具有更好的形狀記憶效應.

熱處理制度不同會導致Cu-Zn-A l形狀記憶合金的結構組織不同.文獻[11]表明,在單純的熱循環(huán)中反復進行馬氏體與母相間的相轉變,會在母相中導入位錯,而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,位錯密度也增加.這些缺陷會使部分馬氏體發(fā)生穩(wěn)定化,從而使合金的形狀回復率降低.

在本實驗條件下,除了單純熱循環(huán)引起的位錯滑移外,還同時存在著在馬氏體狀態(tài)下變形時造成的位錯滑移,在使用過程中這些位錯缺陷是造成合金形狀回復率衰減的主要原因.在訓練過程中重復進行強變形會不斷引入位錯,從而使母相和熱彈性馬氏體的有序晶格原子百分數(shù)不斷降低[12-14],造成形狀回復率下降.由于位錯在訓練初期增殖較快,所以形狀回復率先急劇下降,隨訓練次數(shù)進一步增加,位錯增加,位錯間的纏結等交互作用增加,妨礙了位錯進一步大量增殖[13],晶格有序度和母相與熱彈性馬氏體的共格關系不再受到嚴重破壞,因而單程記憶效應不再進一步急劇下降,而是緩慢下降并趨于穩(wěn)定.

(3)合金經(jīng)淬火后具有典型的馬氏體組織形貌,表明發(fā)生了馬氏體相變.當淬火介質為冷水、冷油、沸水、沸油時,馬氏體形貌依次變得更為細小,組織更為致密.

3 結 論

(1)70Cu-26Zn-4A l合金依次經(jīng)800℃熱處理、不同淬火介質淬火及上淬處理后,具有不同的形狀記憶效應.用沸油、沸水、冷油、冷水淬火時,合金形狀回復率η依次下降,當淬火介質為沸油時,合金的形狀記憶效應最好.

(2)在熱與應變循環(huán)過程中,隨訓練次數(shù)的增加,形狀回復率η先急劇下降,然后緩慢下降并趨于穩(wěn)定.這是由位錯滑移的積累,而引起的馬氏體穩(wěn)定化造成的.

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Influence of heat treatment on the shapememory effect of Cu-Zn-Al alloys

TIAN Lu-fei,WANGQi,L IU Zhen,SH I Yun-zhong,JIA Li-li,TIAN Lei
(School of M ateria l Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)

In order to imp rove the stability and working life of Cu-Zn-A l shape memo ry alloys,the influence of different quenching medium in heat treatment on shape memory effect of Cu-Zn-A l shape memory alloys is investigated by using SM E training method.The experimental results show that Cu-Zn-A l alloys have different shape memo ry effect and different martensitic structure w hen different quenching medium is used.The martensitic structure becomes smaller,denser and mo re o rderly,and the shape memo ry effect of alloys risesw hen the quenchingmedium is in the order of cold w ater,cold oil,boiling water and boiling oil;With the increase of the training times,dislocation in the alloy increases,the atom s orderliness of crystal lattice decreases,and the shape memory effect of Cu-Zn-A l alloys decreases rapidly at first,then slow ly and levels off.

Cu-Zn-A l shape memory alloy;quenching medium;shapememory effect

TG139.6

A

1673-9981(2011)01-0035-04

2010-07-20

田陸飛(1984—),男,山東壽光人,碩士研究生.