Ti-Ni形状记忆合金性能及应用研究进展

综述了近年来Ti-Ni形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应、超弹性效应、温度记忆效应、生物相容性、耐磨性、阻尼及电阻特性等的研究进展;论述了Ti-NiSMA在机械工程、生物医学及建筑工程领域和日常生活中的应用,并对今后的研究方向进行了展望。

生物医用多孔Ti-Ni形状记忆合金的

综述了多孔Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金的发展历史、制备技术、生物相容性、力学性能及其应用等方面的研究进展一种用于人体硬组织修复和替换的新型生物医用材料一多孔Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金，由于其多孔结构及独特的形状记忆与伪弹性、优良的生物相容性和力学性能等特点，伴随其制备工艺的改进，已经引起世界各国科学家的极大关注。

Ti-Ni形状记忆合金薄膜的研究进展

综述了Ti-Ni形状记忆合金(SMA)薄膜的制备、特性及应用的研究现状。介绍了影响Ti-Ni SMA薄膜性能的相关因素及磁控溅射和熔体快淬两种Ti-Ni基SMA薄膜的制备方法,论述了Ti-Ni基SMA薄膜在微机电系统中的应用。最后,指出了Ti-Ni SMA薄膜存在的问题及今后的研究方向。

载荷对Ti-Ni形状记忆合金丝振动响应特性的影响

针对形状记忆合金作为阻尼材料在机械、土木等工程领域中广阔的应用前景,选取 Ti 50.2%(原子分数)Ni 形状记忆合金作为研究对象。在弹簧、质量块和形状记忆合金丝组成的振动系统中,测定并分析了不同温度和弹簧刚度下,载荷对系统振动响应特性的影响规律。研究结果表明超弹性Ti 50.2%(原子分数)Ni合金具有优良的减振性能,且其减振性能的优劣与系统加载有着密切联系。

添加Co对Ti-Ni形状记忆合金组织和性能的影响

以400和600℃退火态Ti-49.8Ni和Ti-49.8Ni-1.0Co合金为对象,用示差扫描热分析仪、光学显微术、X射线衍射仪和拉伸试验研究了添加Co对退火态Ti-Ni形状记忆合金相变、组织和形状记忆行为的影响。结果表明,400℃退火态Ti-49.8Ni和Ti-49.8Ni-1.0Co合金冷却时皆发生A→R→M(A-母相,R-R相,M-马氏体)两阶段相变;加热时Ti-49.8Ni合金发生M→A一阶段相变,Ti-49.8Ni-1.0Co合金发生M→R→A两阶段相变;600℃退火态Ti-49.8Ni和Ti-49.8Ni-1.0Co合金冷却加热时皆发生一阶段AM相变。400℃退火态Ti-49.8Ni和Ti-49.8Ni-1.0Co合金的组织呈纤维状,塑性较差;600℃退火态合金的组织呈等轴状,塑性良好。Ti-49.8Ni合金室温组成相为马氏体,呈形状记忆效应;Ti-49.8Ni-1.0Co合金的室温组成相为母相B2,呈超弹性特性。退火时间对Ti-Ni合金的组织和性能影响不大,合金的相变温度随退火时间延长缓慢升高。形变温度显著影响Ti-Ni合金的超弹性特性,随形变温度升高合金的超弹性应力增加,超弹性滞回面积减小。

添加Cr对Ti-Ni形状记忆合金氧化行为和相变特性的影响

研究了添加Cr对形变退火态Ti-50.8Ni形状记忆合金氧化行为及组织和相变特性的影响。结果表明,添加微量Cr后,Ti-Ni合金的再结晶温度和抗氧化能力有所降低,相变热滞增加,相变温度大幅度降低。随退火温度升高,Ti-50.8Ni合金冷却/加热时的相变类型发生由A→R→M/M→R→A型向A→R→M/M→A型再向A→M/M→A型转变(A-母相,R-R相,M-马氏体),Ti-50.8Ni-0.3Cr的相变类型发生由A→R/R→A型向A→R→M/M→R→A型再向A→R→M/M→A型再向A→M/M→A型转变。随退火温度升高,二合金的R相变温度和M相变热滞降低,M相变温度升高,R相变热滞变化不大,保持在4℃左右。

稀土元素对富Ni的Ti-Ni形状记忆合金马氏体相变的影响(英文)

在本文中,向Ti-50.7at.%Ni合金分别加入1at.%的稀土元素Ce、Dy、Gd和Y,并利用X射线和示差扫描热分析研究了稀土掺杂对富Ni的Ti-Ni合金马氏体相变行为的影响。结果表明:向富Ni的Ti-Ni合金中添加稀土元素能使合金的马氏体相变温度显著增加,且添加稀土Ce使合金相变温度的增幅最大。此外,Ti-50.2Ni-1Gd和Ti-50.2Ni-1Y合金中发生两步马氏体相变,而添加Ce和Dy的Ti-Ni合金中仍只发生一步马氏体相变。

Ti-Ni形状记忆合金组织结构的研究

用高压透射电镜对 Ti-54wt%Ni 形状记忆合金进行了组织观察和结构分析。结果表明材料的高温相组织为单相组织,由具有 CsCl 结构的 B_2相组成。B_2相选区电子衍射花样由衍射斑点和漫射条纹组成。漫射条纹穿过基本衍射斑点。但是不穿过中心斑点和超结构衍射斑点。倾斜样品使衍射斑点消失后,仍然可观察到漫射条纹。经冷处理的薄膜样品的组织由马氏体组成,马氏体片内含有孪晶。观察过程中,样品因被电子束照射而加热,使马氏体转变为 B_2相。转变分瞬间和连续两种方式进行。前者是分阶段进行的,表现为“万花筒”式。

Ni含量和热处理对Ti-Ni形状记忆合金相变和形变行为的影响

用示差扫描量热仪和拉伸试验对比研究了不同温度退火态Ti50.5，Ni49.5、Ti49.8Ni50.2和Ti49.4Ni50.6合金的相变特性和形变行为。中温退火态Ti50.5Ni49.5和Ti49.8Ni50.2合金冷却／加热时的相变类型为A→R→M／M→A（A—母相，R—R相，M—马氏体），Ti49.4Ni50.6合金的相变类型为A→R→M／M→R→A。随Ni含量增加，Ti—Ni合金的相变温度降低，相变热滞增加。随退火温度Tn升高，这3种合金的马氏体相变温度升高，热滞减小；Ti50.5Ni49.5合金的R相相变温度TR恒定不变；Ti49.8Ni50.2和Ti49.4Ni50.6合金的TR先升高后降低。室温下，Ti50.5Ni49.5合金呈现形状记忆效应，Ti49.4Ni50.6合金呈现超弹性，Ti49.8Ni50.2合金呈现形状记忆效应＋超弹性。近等原子比和富镍Ti—Ni合金的形状记忆特性优于贫镍合金。随Ta升高，三合金拉伸曲线的平台应力减小；Ti49.4Ni50.6超弹性合金的滞弹性面积增大，阻尼性增强，能量储存密度和储存效率减小。Ta=673～773K时，Ti—Ni合金的形状记忆特性良好，Ta超过823K后，该特性变差。

Ti-Ni形状记忆合金超弹性的研究进展

Ti-Ni形状记忆合金具有超弹性特性,所显示出的恒弹力、大应变、非线性阻尼和高弹性模量效应可被用来制作储能器、振动控制器和耐磨零件等。评述了Ti-Ni形状记忆合金超弹性的影响因素和计算模拟研究现状。着重介绍了合金成分、热处理、应力-应变循环、冷变形量和实验温度对超弹性的影响,并指出开发多元系Ti-Ni-X超弹性合金和加强合金的超弹性计算模拟是今后的主要研究方向。

退火和时效工艺对富镍Ti-Ni形状记忆合金显微组织和相变行为的影响

为了给富镍Ti-Ni形状记忆合金热处理工艺的优化提供依据,以Ti-50.8Ni合金丝为对象,用光学显微镜、透射电子显微镜和示差扫描量热仪研究了退火和时效工艺对富镍Ti-Ni合金显微组织、相变类型、相变温度和相变热滞的影响规律。Ti-50.8Ni合金丝经350~800℃+5~120 min退火处理后,随退火温度和时间增加,合金发生回复、再结晶和晶粒长大过程,再结晶温度在600℃左右,显微组织形态由纤维状向等轴状变化;冷却/加热相变类型由B2→R→B19′/B19′→R→B2型向B2→R→B19′/B19′→B2型向B2→B19′/B19′→B2型转变(B2-母相,CsCl型结构;R-R相,菱方结构;B19′-马氏体相,单斜结构);R相变温度θ_(R)先升后降,极大值35.2℃在400℃退火态合金中取得;马氏体(M)相变温度θ_(M)升高,M相变热滞Δθ_(M)降低,R相变热滞Δθ_(R)约为4℃。该合金经300~500℃+0.5~50 h时效处理后,随时效温度和时间增加,合金中Ti3Ni4析出物形貌由细小颗粒状→针状→粗片状变化;300℃和500℃时效态合金的相变类型分别为B2→R→B19′/B19′→R→B2和B2→R→B19′/B19′→B2,400℃时效态合金的相变类型由B2→R→B19′/B19′→R→B2型向B2→R→B19′/B19′→B2型转变;θ_(R300)、θ_(R400)、θ_(R500)、θ_(M300)和θ_(M500)升高;θ_(M400)先降后升,极小值-121.4℃在400℃+1 h时效态合金中取得;Δθ_(M300)和Δθ_(M400)先升后降,极大值70.5℃和129.4℃分别在300℃+5 h和400℃+1 h时效态合金中取得;Δθ_(M500)降低,Δθ_(R300)和Δθ_(R400)约为4℃。

燃烧合成法制备多孔Ti-Ni形状记忆合金的研究

使用Ti、Ni纯元素粉末 ,用燃烧合成技术制取了近等原子比的多孔Ti Ni形状记忆合金 ,一种理想的人造骨骼材料。通过选择合适的预热温度及各种工艺参数 ,得到了孔隙度达 70 % ,开孔率 95 %以上 ,孔径 10 0～ 30 0 μm为主 ,孔洞均匀分布 ,三维相互连通的样品。应用X 射线衍射、SEM扫描分析了产物相组成 ,除了TiNi母相外 ,还有少量的Ti2 Ni和Ni3 Ti中间相。结果表明 ,燃烧合成技术能制取均匀多孔的Ti Ni形状记忆合金 ,且工艺过程简单 ,节省能源 。

Ti-Ni形状记忆合金DSC曲线的特征

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金时效后DSC曲线的特征.结果表明,Ti-Ni合金的DSC曲线分6种类型.复杂DSC曲线可用不完全循环法分析.根据成分及时效工艺不同,Ti-Ni合金可发生7种可逆相变.给出了Ni含量-时效-相变图,用该图可预测给定合金在不同时效工艺下的相变类型,也可根据相交类型来设计合金,制订热处理工艺.

热/强磁场耦合时效对富镍Ti-Ni形状记忆合金相变行为的影响

采用示差扫描量热仪(DSC)和透射电子显微镜(TEM),研究热/强磁场耦合时效对Ti-50.6%Ni(摩尔分数)形状记忆合金中Ti3Ni4相析出及相变行为的影响。结果表明:经过500℃、2.5 h热/强磁场耦合时效处理后,Ti-50.6%Ni合金呈现典型的三阶段相变,即晶界附近的B2—R转变、晶内的B2—B19′转变和晶界附近的R—B19′转变;随着磁感应强度的增加,B2—R相变峰和B2—B19′相变峰均向低温区漂移,而R—B19′相变峰位基本保持不变。TEM观察显示,热/强磁场耦合时效后,晶界附近的Ti3Ni4析出相数量明显减少,表明热/强磁场耦合时效可能阻碍了晶粒内部的Ni向晶界周围迁移,抑制了Ti3Ni4相的形核。

稀土元素Ce对Ti-Ni形状记忆合金力学性能的影响

采用拉伸试验研究了稀土元素Ce对Ti-Ni合金力学性能的影响,通过扫描电镜对Ti-Ni-Ce合金的断口形貌进行观察。实验结果表明,添加稀土元素Ce使Ti-Ni合金的应力—应变行为有显著影响。在马氏体状态拉伸时,当x(Ce)低于0.5%时,合金的应力—应变曲线出现明显的屈服平台;而当x(Ce)超过1%时,合金的应力—应变曲线上无明显的屈服平台,以连续屈服和强烈的加工硬化为特征。随Ce加入量增加,合金的延伸率降低、脆性增大,断裂类型由微孔聚集型的韧性断裂逐渐转变为沿晶脆性断裂。因此,Ce的加入量不能超过1%,否则将损害Ti-Ni合金的使用性能。

Ti-Ni形状记忆合金多阶段可逆相变的类型及其演化过程

用示差扫描量热仪(DSC)和部分热循环分析法研究了350—800℃退火态和300—500℃时效态Ti-(50．2—50．8)Ni(原子分数,%)形状记忆合金多阶段可逆相变的类型及其演化过程．结果表明,这些合金发生R和马氏体两种可逆相变,相变可以一阶段完成,也可以多阶段完成．时效态合金的相变比退火态复杂,时效温度越低相变越复杂．若用DSC曲线上冷却相变峰数/加热相变峰数表示相变类型,则退火态和时效态合金冷却/加热时可以发生1/1,2/1,2/2,3/2和3/3等类型的相变．给出了各类相变发生的热处理工艺．多阶段可逆相变是一个渐变过程,在冷却相变峰的温度区间进行部分热循环时,随冷却停止(加热开始)温度降低,逆相变峰温度降低．

Ti-Ni形状记忆合金复合悬摆减震系统性能试验研究

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金丝应力-应变曲线、特征点应力、耗能能力、等效阻尼比等随材料直径、应变幅值、加载循环次数的变化规律,结果表明:丝材直径的增加会导致SMA丝力学性能趋于劣化;当应变幅值为6%、加载循环次数达15次时,可获得滞回性能良好、工作稳定的SMA丝材。将训练后所得SMA丝材,利用其超弹性特性,结合调谐质量阻尼器基本工作原理,设计制作了一类可便于拆卸的SMA复合悬摆减震系统。针对该类减震系统,完成了相应的性能试验,分析了该系统自振频率、质量振子与受控结构间的相位关系、等效阻尼力随振子质量、摆杆长度的变化规律,结果表明:该减震系统在正弦波和真实地震激励下质量振子与受控体结构之间相位关系始终较好的保持在150°~180°之间;同时,等效阻尼力随外荷载幅值的增大,控制效果更加明显。综上,该系统能够简便应用于结构振动控制之中,并提供稳定、高效的阻尼力,从而保护结构免于强动力灾害。

考虑加/卸载速率影响的Ti-Ni形状记忆合金简化本构模型

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金丝(SMA)应力-应变曲线、特征点应力、耗能能力、等效阻尼比随材料直径、应变幅值、加载速率、加载循环次数的变化规律;针对SMA唯象Brinson本构模型无法描述SMA动态力学性能的缺点,结合前述试验结果,提出了一种可考虑加/卸载速率影响的SMA简化本构模型。应用该模型对试验用SMA丝进行模拟,所得应力-应变曲线各特征点平均误差仅为3%,结果表明:所建立的速率相关SMA简化本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映加/卸载速率和应变幅值等主要因素对其动力本构模型的影响;该模型结构形式简单,具有较好的工程应用前景。

Ti-Ni形状记忆合金环超弹阻尼器的阻尼特性研究

应用Ti-Ni形状记忆合金环作耗能元件设计了一种新型的阻尼器,介绍了Ti-Ni合金环的制备及热处理工艺,并测试了其力学性能。分析了加载卸载过程中力-位移曲线与环内应力的关系。当无档板对Ti-Ni合金环进行横向约束时,由于环内的应力没达到应力诱发马氏体相变的临界应力,表现为线弹性,并且回复力非常小。当档板对环施加水平约束,出现滞迟耗能。随着位移的增加,回复力和滞迟环的面积都大幅度增加,滞迟环形状发生变化。小位移时,滞迟环为透镜状,当位移达到一定值时,滞迟环为倒三角形。倒三角形的滞迟环与双折线形滞迟环相比,在振动控制过程中具有更好的阻尼效果。

Zr掺杂对Ti-Ni形状记忆合金相变、拉伸性能和循环超弹性的影响

为了开发超弹性优异的Ti-Ni基形状记忆合金(SMA),以600℃退火态Ti-50.8Ni和Ti-50.8Ni-0.1Zr(摩尔分数)SMA为研究对象,用示差扫描量热仪、XRD、SEM和拉伸试验研究了Zr掺杂对Ti-Ni基SMA相组成、相变行为、拉伸性能和循环超弹性的影响。结果表明:掺杂0.1%Zr不影响Ti-Ni SMA的组成相和相变类型,但降低马氏体相变温度(t_(M)),增加相变热滞(Δt),提高抗拉强度(R_(m)),降低伸长率(A),增强非线性超弹性稳定性。600℃退火态Ti-50.8Ni和Ti-50.8Ni-0.1Zr合金的室温组成相主要为母相B2,冷却/加热时发生B2→B19′/B19′→B2一步可逆马氏体相变;掺杂0.1%Zr后,Ti-Ni SMA的t_(M)降低了34℃,Δt增加了22℃,R_(m)增加了79 MPa,A降低了22%。随应力-应变循环次数增加,Ti-50.8Ni合金由部分非线性超弹性转变为线性超弹性,Ti-50.8Ni-0.1Zr合金则始终保持稳定非线性超弹性,两种合金的超弹性残余应变(ε_(R))和能量耗散(W_(D))均先降低后趋于稳定。随着循环应变速率的增加,Ti-50.8Ni合金的W_(D)和等效阻尼比先降低后趋于稳定;Ti-50.8Ni-0.1Zr合金的W_(D)和等效阻尼比先升高后趋于稳定。随循环应变幅值的增加,Ti-50.8Ni和Ti-50.8Ni-0.1Zr合金的W_(D)和等效阻尼比皆升高。