femnsicrn形狀記憶合金的馬氏體相變

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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要本文利用內(nèi)耗、電阻、拉伸、TEM等實(shí)驗(yàn)測試手段，借助于相變熱力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)、電子結(jié)構(gòu)、晶格動(dòng)力學(xué)等理論，系統(tǒng)地研究了Fe—Mn-Si—Cr-N形狀記憶合金中的馬氏體相變。從工程應(yīng)用的角度，通過室溫拉伸得到不同預(yù)應(yīng)變下合金的SME。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，N合金化明顯改善了Fe．Mn．Si．Cr基合金的SME。Fe-25Mn一6Si一5Cr一012／014N合金在預(yù)應(yīng)變?yōu)?％時(shí)，僅需一次訓(xùn)練可獲得完全的形狀記憶效應(yīng)(SME)，顯示了本合金在簡化工藝、節(jié)約能耗和易于控制工件尺寸等方面的突出優(yōu)點(diǎn)。f該項(xiàng)成果已于2000年10月2

2、6日申請(qǐng)了發(fā)明專利(專利申請(qǐng)?zhí)枺?0125769．2)。Md溫度以上嚴(yán)格的拉伸實(shí)驗(yàn)外推到室溫表明氮大大提高了合金體系的室溫屈服強(qiáng)度，表明N強(qiáng)化母相的效果是明顯的。利用TEM觀測發(fā)現(xiàn)晶界、層錯(cuò)、馬氏體相界面、孿晶界、位錯(cuò)滑移面處都沒有氮化物析出，進(jìn)一步說明N的強(qiáng)化機(jī)理是間隙固溶強(qiáng)化。層錯(cuò)能是影響SME的又一重要因素，而此類合金的層錯(cuò)能很低，無法用實(shí)驗(yàn)測得，所以利用層錯(cuò)幾率來間接判斷。利用XRD測得合金的層錯(cuò)幾率隨N含量的增加而降低，表明層錯(cuò)能有所增加，這和層錯(cuò)能的熱力學(xué)理論計(jì)算一致。層錯(cuò)能越低越有利于SME，即從層錯(cuò)能的角度看，N合金化增加層

3、錯(cuò)能的結(jié)果是不利于SME的，而強(qiáng)化與層錯(cuò)能二者綜合的結(jié)果是合金的SME得到明顯改善，所以認(rèn)為強(qiáng)化是提高此類合金SME的決定性因素?！だ肊shelby夾雜彈性理論，建立了熱誘發(fā)馬氏體的彈性應(yīng)變能與相變總切變幾率P之間的關(guān)系，P越大應(yīng)變能越大。將層錯(cuò)四面體作為晶體中的一個(gè)夾雜處理，計(jì)算了層錯(cuò)四面體的應(yīng)變能；將層錯(cuò)作為一個(gè)沒有厚度的夾雜，得到了層錯(cuò)的應(yīng)變能，隨層錯(cuò)寬度的增加應(yīng)變能將減小，并得到平行層錯(cuò)間的彈性交互作用與層錯(cuò)間距的關(guān)系，間距增加，彈性交互作用將減弱。計(jì)算得到了單變體的應(yīng)變能大大超過相變的臨界驅(qū)動(dòng)力的結(jié)果，并計(jì)算了平行馬氏體的彈性交

4、互作用能與間距的關(guān)系，間距增加，交互作用先快速減小，然后減慢。結(jié)合周國治規(guī)則溶液模型，改進(jìn)了現(xiàn)有的離散點(diǎn)陣平面模型(DLP)，使之可適用于多元置換型和間隙型合金體系的{111}。／／{000l}h。。共格界面能計(jì)算。理論計(jì)算表明，間隙原子N是增加Fe．Mn．Si．Cr合金的共格界面能的，Mn增加共格界面能，而si的作用相反。增加共格界面能即阻礙了馬氏體相界面的移動(dòng)。N對(duì)馬氏體相變和反鐵磁相變都有一定的影響，但對(duì)前者的影響大于后者。電阻實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，N同時(shí)降低馬氏體相變溫度Ms和反鐵磁相變溫度n，相比之下降低Ms的程度大于對(duì)知的降低。利用熱

5、力學(xué)模型、改進(jìn)的共格界面能模型、細(xì)觀力學(xué)模型分別對(duì)合金馬氏體相變的阻力項(xiàng)：層錯(cuò)能、共格界面能、相變應(yīng)變能進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，層錯(cuò)能比界面能、相變應(yīng)變能大得多，這說明馬氏體相變的臨界化學(xué)驅(qū)動(dòng)力主要消耗于克服層錯(cuò)能，所以層錯(cuò)能是v_￡馬氏體相變的決定因素。由以上述實(shí)驗(yàn)和理論分析得到了Fe．25Mn．6Si-5Cr-XN合金中的屈服強(qiáng)度(Go2)、層錯(cuò)幾率(P礦)、馬氏體相變溫度(^吞)、反鐵磁相變溫度(Tu)、臨界相變驅(qū)動(dòng)力(△G≯8)、合金N含量(vat％N)之間的定量關(guān)系：cro2=295．7+661．2×wt％N+o．35(30

6、0一T)；1／舀=166．2+637．7×wt％N；Ms=292．8—365．84×wt％N；巧=230．1—180．3×wt％NMs=368．5—0．48536／匕△Gr‘=100．83+0．3034／昂。上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文為了能半經(jīng)驗(yàn)地描述形狀回復(fù)率，建立了Fe-Mn—Si基合金中形狀恢復(fù)率"的計(jì)算模型。該模型認(rèn)為馬氏體栩變應(yīng)變s“、未屈服區(qū)所儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變o，、和層錯(cuò)導(dǎo)致的應(yīng)變可為可回復(fù)應(yīng)變，對(duì)SME有直接的貢獻(xiàn)，并綜合考慮了強(qiáng)化效應(yīng)(用ro表征)、晶粒尺寸(R)、層錯(cuò)能(或?qū)渝e(cuò)幾率PF)和訓(xùn)練次數(shù)(”)的作用，該模型可解釋現(xiàn)有

7、的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并為Fe—Mn—Si基形狀記憶合金設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的依據(jù)。它們之間的定量關(guān)系式為：可：!蘭!!二蘭堅(jiān)型一(型塹些2+O．353A[cos．B+(1一cosfl)(qo-I-qln+92，12+q3n’)][1一exp(一kls22)】)將層錯(cuò)密度引入相變熱力學(xué)，建立了具有長周期堆垛結(jié)構(gòu)過渡相的熱力學(xué)模型。利用所建立的模型，計(jì)算了Fe-Mn．Si基合金中多種過渡相的Gibbs自由能，并以此為依據(jù)比較了這些過渡相的熱力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在％溫度以下，其穩(wěn)定性排列順序?yàn)椋?I-1">9R(9H)>4H>6H>FCC這說明了現(xiàn)有的一些

8、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并為實(shí)驗(yàn)觀察提供了參考和方向。提出層錯(cuò)．軟模耦合機(jī)制作為Y一￡相變形核機(jī)制，這是對(duì)層錯(cuò)化機(jī)制的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。內(nèi)耗實(shí)驗(yàn)觀察到Fe．25Mn．6Si．5Cr-O．14N