【摘 要】
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由于具有良好的形状记忆效应和超弹性,镍钛形状记忆合金在工程和医学领域得到广泛应用。与粗晶镍钛形状记忆合金相比,由于晶粒细化,纳米晶镍钛形状记忆合金具有增强的功能特性。由大塑性变形和退火热处理组成的热机械处理法是制备纳米晶镍钛形状记忆合金的有效手段。本文将以处于奥氏体状态的Ni50.7Ti49.3形状记忆合金和马氏体状态的Ni50Ti50形状记忆合金为研究对象,在室温下分别使两种镍钛形状记忆合金进行
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由于具有良好的形状记忆效应和超弹性,镍钛形状记忆合金在工程和医学领域得到广泛应用。与粗晶镍钛形状记忆合金相比,由于晶粒细化,纳米晶镍钛形状记忆合金具有增强的功能特性。由大塑性变形和退火热处理组成的热机械处理法是制备纳米晶镍钛形状记忆合金的有效手段。本文将以处于奥氏体状态的Ni50.7Ti49.3形状记忆合金和马氏体状态的Ni50Ti50形状记忆合金为研究对象,在室温下分别使两种镍钛形状记忆合金进行局部包套压缩大塑性变形,并在450℃条件下进行不同时间的退火热处理。将压缩力学性能实验技术、扫描电子显微技术（SEM）、电子背散射衍射技术（EBSD）、透射电子显微技术（TEM）、晶体塑性有限元模拟技术和离散位错动力学模拟技术相结合,研究两种镍钛形状记忆合金在热机械处理过程中微观结构演变及力学行为,为制备具有高性能的纳米晶镍钛形状记忆合金提供理论基础。本文的主要研究成果如下。Ni50Ti50形状记忆合金在室温下经历局部包套压缩大塑性变形,可以导致局部非晶化和纳米晶化。在450℃条件下退火处理致使非晶相纳米晶化。与固溶处理Ni50Ti50形状记忆合金相比,退火后的试样具有较低的塑性和较高的断裂强度。退火后试样的塑性随着退火时间的延长而增加。此外,热机械处理引起微观结构的差异导致不同的断裂特征。其中,固溶处理试样呈韧性断裂,而局部包套压缩后试样和热机械处理试样呈脆性断裂。退火后试样与固溶处理试样呈不同断裂特征主要归因于两个方面:一是由于塑性区和马氏体再取向及去孪生区的减小,消弱了二者在防止裂纹扩展的阻碍作用;二是由于裂纹扩展路径的不同导致退火后试样中I型断裂模式的比例较大。Ni50.7Ti49.3形状记忆合金在室温下经历局部包套压缩大塑性变形,同样可以实现局部非晶化和纳米晶化。在450℃条件下退火处理致使大塑性变形产生的非晶相纳米晶化。与Ni50Ti50形状记忆合金相比,Ni50.7Ti49.3形状记忆合金具有更高的晶粒长大速率。在主要由B2奥氏体组成的基体中存在{111}和{111}I型马氏体孪晶,这源于热机械化处理导致了镍钛形状记忆合金化学成分的不均匀性,贫镍区的出现导致了局部区域马氏体相变开始温度的升高。与固溶处理试样相比,退火后试样具有极高的屈服应力和较差的塑性。Ni50.7Ti49.3形状记忆合金的应力诱发马氏体相变与晶粒尺寸紧密相关,并且随着晶粒尺寸的减小而逐渐受到抑制。基于晶体塑性有限元模拟,揭示了纳米晶Ni50.7Ti49.3形状记忆合金在400℃单轴压缩过程中的尺寸效应。基于实验结果建立了具有不同晶粒尺寸的纳米晶镍钛形状记忆合金的晶体塑性有限元模型,并将统计存储位错密度（SSD）和几何必须位错密度（GND）引入了晶体塑性本构模型。晶体塑性有限元模拟结果与400℃单轴压缩实验结果吻合良好,并且表明屈服应力随平均晶粒尺寸的变化趋势满足Hall-Pectch效应。此外,纳米晶Ni50.7Ti49.3形状记忆合金塑性变形时的流动应力、SSD密度和GND密度均随平均晶粒尺寸的升高而降低。基于离散位错动力学,以纳米晶多晶镍钛形状记忆合金单一晶粒为研究对象,研究了不同晶粒尺寸和不同加载方向对镍钛形状记忆合金单一晶粒屈服应力和位错结构演化的影响。结果表明镍钛形状记忆合金单一晶粒的屈服应力及位错密度随晶粒尺寸的升高而显著降低。对于任意晶粒尺寸和任意加载方向,由于位错快速增殖,镍钛形状记忆合金单一晶粒在变形过程中均展现出较强的应变硬化。此外,加载方向的变化将导致位错增殖速率存在差异。因此镍钛形状记忆合金单一晶粒的应变硬化具有较强的取向依赖性。
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