循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金马氏体相变超弹性的影响

采用拉拔变形及低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的Ti_(50)Ni_(48)Fe_(2)(原子分数)记忆合金丝材,通过拉伸实验机研究了拉伸应变为6%及20次循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金应力诱发马氏体相变超弹性的影响。结果表明:当循环变形次数由1次增加至20次,纳米晶TiNiFe合金马氏体相变的超弹应力由871 MPa减小至723 MPa,残余应变由0.53%增加至0.73%。本文中的纳米晶TiNiFe合金在循环变形后呈现出高超弹应力和小残余应变,明显优于已经报道的TiNi记忆合金。这主要是由于纳米晶TiNiFe合金中高密度晶界产生的细晶强化和Fe元素产生的固溶强化,由此抑制了合金中位错的产生从而提高了马氏体相变的超弹稳定性。

预应变对S30408不锈钢力学性能和马氏体相变的影响

为了探究不同预应变量下S30408不锈钢力学性能的变化规律,课题组在室温下对S30408不锈钢开展不同预应变量下的单轴拉伸试验,分析了预应变对其力学性能及马氏体相变的影响规律,在此基础上建立了考虑预应变影响的修正Ludwigson模型,并结合基于Johnson-Cook的脆化模型合理预测预应变后材料力学性能。结果表明:随着预应变量的增加,S30408不锈钢的屈服强度明显增加,抗拉强度缓慢增加,断后延伸率降低;利用金相和X射线衍射试验获取不同预应变量下微观组织和析出相成分,发现在预应变量大于9%后,S30408不锈钢开始逐渐出现形变诱导的马氏体相变。课题组的研究实现了不同预应变量下的S30408不锈钢应力-应变关系的合理评价。

Gd掺杂对Ni-Mn-In磁性形状记忆合金电子结构、磁性与马氏体相变影响:第一性原理计算和实验

采用实验研究与第一性原理计算相结合的方法,研究了Gd掺杂对Ni-Mn-In合金的影响。第一性原理计算结果发现,在Ni_(8)Mn_(6)In_(2)中,Gd掺杂倾向于占据合金中的Ni和In的亚晶格。Gd取代Ni或In后均可提高马氏体温度,同时降低居里温度。特别是Gd取代In时,相变温度的提升更为显著。电子态密度分析表明:Gd会降低奥氏体稳定性,提高马氏体稳定性,是其相变温度升高的主要原因。采用真空电弧熔炼炉成功制备了Ni_(50-x)Mn_(35)In_(15)Gd_(x)(x=0,1,2)和Ni_(50)Mn_(35)In_(15-x)Gd_(x)(x=0,1,2)多晶合金,通过DSC实验数据分析,Gd的掺杂提升了合金的相变温度,其中Ni_(50)Mn_(35)In_(13)Gd_(2)的马氏体转变开始温度达到160℃,可以满足高温(≈97℃)的工作条件,在单个Gd原子的掺杂下未改变合金母相和马氏体相的磁状态,对磁化强度差的影响较小,阐明了Gd掺杂对合金的磁结构影响机理。

退火温度对TiNi记忆合金马氏体相变超弹性能的影响

采用X射线衍射仪、差示扫描量热法、透射电镜和拉伸试验等研究了退火温度对拉拔变形后的TiNi记忆合金的微观组织、马氏体相变应力、回复应变、残余应变、吸收能量、储存能量及耗散能量的影响。结果表明:当退火温度由350℃升高至550℃,TiNi记忆合金的平均晶粒尺寸由15 nm增大至400 nm,马氏体相变应力由766 MPa降低至115 MPa,回复应变由6.7%减小至0.8%,残余应变由1.3%增大至7.2%,马氏体相变的吸收能量由50.6 MJ/m^(3)减小至8.6 MJ/m^(3),马氏体相变的储存能量由15.7 MJ/m^(3)减小至0.8 MJ/m^(3),马氏体相变的耗散能量由34.9 MJ/m^(3)减小至8.0 MJ/m^(3)。分析认为退火温度对上述TiNi记忆合金马氏体相变超弹性能的影响主要是因为随着退火温度的升高,TiNi记忆合金的晶粒尺寸增大,晶界密度降低,由此降低了合金应力诱发马氏体相变的阻力,进而影响其超弹性能。

限定晶粒取向差的多晶马氏体相变行为的相场法研究

基于Welch-Powell算法限定多晶体取向,采用相场法研究了晶粒取向差对多晶马氏体相变的影响。结果表明:大晶粒较小晶粒马氏体的板条形貌更规则,晶界降低了马氏体的生长速度;晶粒取向角比晶粒尺寸对马氏体相变体积分数的影响更大。马氏体相变初期ω值越大,马氏体生长速度越快,ω=60°时的平衡马氏体体积分数高于其他ω值下的平衡马氏体体积分数,随ω值的增大平衡马氏体体积分数减小。

SPS烧结Ni-Mn-In合金的马氏体相变和力学性能研究

本工作利用放电等离子烧结技术制备了Ni_(45)Co_(5)Mn_(37)In_(13)合金,通过优化热处理工艺以及烧结工艺参数尽可能地消除阻碍马氏体相变的内应力等因素。结果表明,合金粉末经过773 K低温去应力退火,有利于获得6M马氏体结构,6M马氏体结构的存在有利于相变的进行,这主要归因于原子结构有序化、均匀化增强。而退火时间从2 h延长到25 h,合金粉末的马氏体相变行为没有明显的变化,这归因于退火时间对原子扩散以及位错运动的影响较小。随着烧结温度从873 K升高到1173 K,烧结合金的抗压强度和断裂应变分别提高到1564 MPa和13.4%,这归因于孔隙的减小、致密度的提高以及晶界强化。总之,通过两次低温去应力退火和一次高温烧结,烧结Ni_(45)Co_(5)Mn_(37)In_(13)合金不仅获得了良好的力学性能,还具有急剧的马氏体相变行为。

Ni44Mn45Sn10.5Al0.5合金的中间马氏体相变研究

利用电弧熔炼的方法制备了Al掺杂的Ni44Mn45Sn10.5Al0.5哈斯勒合金样品。磁性测量结果表明,随温度降低样品表现出奥氏体A至马氏体M1、马氏体M1至马氏体M2的分步磁相变;随着外加磁场的升高,奥氏体相的磁矩逐渐增大,在高磁场下,依然表现为分步磁相变,说明该合金样品的中间马氏体相变非常稳定。在50 kOe的外加磁场下,整个相变过程中产生的最大磁熵变为9.66 J•kg−1•K−1,表明该合金样品具有一定的磁制冷能力。以上结果对我们深入认识Ni-Mn-Sn合金的磁热效应以及中间马氏体相变的过程提供了良好基础。

Ni-Mn-Ga-Fe合金纤维的马氏体相变与超弹性

通过高真空电弧熔炼炉和熔体抽拉液态成形设备制备Ni-Mn-Ga和Ni-Mn-Ga-Fe纤维,并对纤维进行阶梯式有序化热处理。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、射线衍射仪(XRD)对其微结构和相结构进行表征;利用差示扫描量热仪(DSC)对纤维的马氏体相变过程进行分析;利用动态机械分析仪对纤维的超弹性进行测试。结果表明:有序化热处理后纤维内部原子排列有序性提高,相邻孪晶间沿近90°大角度晶界方向生长,晶界处平直。Fe掺杂使得纤维内部晶粒细化,晶格体积缩小,纤维整体致密性提高。Fe掺杂使得晶格内自由电子数量增多,电子浓度升高,致使马氏体相变(martensitic transformation,MT)的相变温度(M s)明显提高;通过有序化热处理,高温下的自由电子自由排列,形成有差异性的新布里渊区,构成新的孪晶界,进一步提高晶格内部的致密程度。同时Fe具备耐高温、抗拉强度高的特性,Fe掺杂的Ni-Mn-Ga纤维降低了其本征脆性。超弹性曲线显示了热弹性马氏体相变的两个基本特征:完全超弹性(superelasticity,SE)和低温恢复特性。在超弹性实验中,Ni_(50)Mn_(25)Ga_(20)Fe 5纤维在355 K测试温度时达到完全SE;在测试温度T test>M_(s)+8 K时,达到100%的应变恢复率(strain recovery rate),较Ni-Mn-Ga纤维(≈90%)有所提高。与其他合金(如Ti-Ni和Cu-Al-Ni合金)相比,Ni-Mn-Ga-Fe纤维显示出更大的临界应力值和更宽的SE温度空间。

马氏体相变大师M.Cohen教授与课程教学及我国材料学家的交往

美国麻省理工学院的Cohen教授以其马氏体相变理论闻名于世,他也是中国人民的老朋友,与我国著名的材料科学家们有着深厚的友谊;在材科基课程中若干基本概念或知识点与他相关。本文从课程教学的角度讨论了3个方面的历史事件,希望能帮助相关专业授课教师和课程学习者更深层地理解相关知识点及背后的历史,将人文历史文化与专业理论有机结合,促进教学、科研及学习。

Fe掺杂对Ni-Mn-Ti全d族Heusler合金马氏体相变和磁性能影响的研究

Ni-Mn-Ti基全d族Heusler合金因具有良好的力学性能和弹热效应而成为金属功能材料领域的研究热点,然而此类合金具有临界应力和滞后较大的问题限制了其实际应用.有研究学者发现Ni-Mn基合金掺杂Fe不仅可以降低相变滞后,还可以大幅提高合金力学性能.鉴于此,本文采用第一性原理计算系统地研究了Fe掺杂对Ni_(50-x)Mn_(37.5)Ti_(12.5)Fe_(x)(x=3.125,6.25,9.375)全d族Heusler合金的相稳定性、马氏体相变和磁性能的影响.结果表明随着Fe掺杂量的增多,奥氏体的晶格常数逐渐减小;相稳定性随着Fe掺杂量的增加而逐渐降低,但在不同成分下,马氏体始终比奥氏体更稳定,表明合金可以发生马氏体相变.合金的奥氏体相为铁磁性,磁矩主要由Mn原子提供,而马氏体相由于正常占位的Mn(MnMn)原子与占据Ti位的富余Mn(MnTi)原子的磁矩反平行排列而表现为反铁磁性.Fe取代Ni使Ni_(50-x)Mn_(37.5)Ti_(12.5)Fe_(x)合金系奥氏体和马氏体之间的能量差△E、电子浓度e/a和电子密度n都呈现减小趋势,表明合金的马氏体相变温度随着Fe原子掺杂量的增多而下降.本文旨在为新型Ni-Mn-Ti-Fe合金的成分设计和性能优化提供指导.

NiTi形状记忆合金在恒定应力和温度下保温过程中马氏体相变诱发的可恢复应变

研究NiTi形状记忆合金在应力下等温保温过程中的应变变化。为了研究可恢复应变,对Ni_(51)Ti_(49)和Ti_(40.7)Hf_(9.5)Ni_(44.8)Cu_(5)合金进行3种制度的保温处理,分别是:应力下冷却后在应力下保温(制度1);无应力和载荷下冷却后在应力下保温(制度2);具有双向形状记忆效应的样品在应力下保温(制度3)。结果表明,所有制度中,在应力下保温后样品均会发生应变变化。该应变在后续热处理或卸载后能恢复,因此表明应变变化是由等温马氏体相变引起的。这种等温应变取决于合金的化学成分、等温保温制度、应力和保温温度。Ti_(40.7)Hf_(9.5)Ni_(44.8)Cu_(5)合金(制度1)和Ni_(51)Ti_(49)合金(制度2)的最大等温应变分别为3.4%和6.1%。制度3中的保温伴随着较小的应变(小于0.3%)。讨论储存弹性能对等温马氏体相变的影响,结果表明,当相变伴随着较小的储存弹性能时,等温应变较大。

热弹性马氏体相变连续介质热力学研究

介绍形状记忆合金热弹性马氏体相变连续介质热力学研究方法和最新进展,着重分析了在推广的非线性弹性力学的框架下,应用变分方法研究热弹性马氏体相变的理论和方法、存在的问题及发展趋势.首先介绍如何计算马氏体相变24种变体的变形梯度,然后拓展非线性弹性力学,引入描述相变的多阱非凸弹性势能,进而讨论了界面能和非局部能对相变微结构和相变过程的影响的相关研究理论方法和进展.

马氏体相变的晶体学特征—不变平面应变

自20世纪20年代以来,基于马氏体相变产生的浮凸和在母相中预先刻制的直线变成在相界面上连续的折线,提出了以切变为基础的马氏体相变的晶体学特征—"不变平面应变"的概念。随后,以该概念为基础建立了马氏体相变晶体学表象理论(PTMC)。然而,刘宗昌等基于相同的实验,即马氏体相变后的直线刻痕仍为直线和浮凸形态为帐篷形,分别在2010年和2013年《热处理》杂志上发表文章,否定马氏体相变的"切变"机制进而否定马氏体相变的"不变平面应变"。如所周知,否定马氏体相变的"切变机制"就是否定"不变平面应变",因此刘宗昌等于2013年发表的文章彰显出他们的轻率。本文作者已在3篇文章中列举用原子力显微镜和透射电镜观察的结果驳斥了他们的错误观点,至少可以说,他们没有理解我们文章中的实验和理论。为此,本文再次引用Yang和Wayman的透射电镜实验结果,即单变体马氏体使预存在的层错迹线(直线)变成折线,而自协调的多个马氏体可使迹线仍为直线;单变体马氏体的浮凸为N形,但多变体马氏体的浮凸可以是帐篷形或更为复杂的形态,由此可以说明刘宗昌等错误观点的原因。最近,本文作者及其合作者基于PTMC计算了Mn80Fe15Cu5热弹性合金马氏体相变的惯习面,并与实验结果相符,由此确认了"不变平面应变"是马氏体相变晶体学特征的正确性。

不锈钢冷加工形变诱发马氏体相变及其腐蚀行为

在实验室和现场对经过不同温度、不同方式、不同程度冷加工的奥氏体 30 4不锈钢进行马氏体相变量的检测 ,研究了冷加工与马氏体相变的关系 ;通过浸泡试验和金相显微镜研究了 30 4不锈钢在腐蚀过程中马氏体含量的变化。结果表明 ,冷加工能产生不同程度的马氏体相变 ;在腐蚀过程中 。

304不锈钢形变诱导马氏体相变的影响因素分析

使用室温拉伸和高温拉伸实现了304奥氏体不锈钢不同应变率及不同温度下的拉伸塑性变形,使用铁素体测量仪、XRD等分析手段测试了不同应变率、不同组织状况及不同温度下的形变诱导马氏体转变量.结果表明,形变诱导马氏体的转变量与应变率、组织均匀度及变形温度三种因素有关,室温形变时,随着塑性变形率的增加,马氏体转变量逐渐上升;对于室温下周向变形率为30%的内高压成形环焊缝拼焊管而言,母材、热影响区和焊缝处的马氏体转变量依次呈上升趋势,组织均匀性越差,马氏体的转变量越高;高温拉伸时,随着环境温度的上升,马氏体的转变量呈下降趋势,在275℃时,马氏体的转变量趋近为0.

304不锈钢拉伸变形过程中的马氏体相变

通过单向拉伸实验,研究了304不锈钢在不同应变量及不同应变速率下的马氏体含量与力学性能之间的关系.结果表明:在室温下,当应变速率为3×10-3s-1时,该材料的屈服强度和抗拉强度分别为220及1 260MPa,延伸率为57%,变形后样品中的马氏体体积分数为55%;当应变速率增加到3×10-1s-1时,虽然该材料的屈服强度增至370MPa,但是抗拉强度下降至1 000MPa,延伸率则下降至42%,变形后样品中的马氏体体积分数下降至21%.上述结果说明,该304不锈钢的塑性变形能力与其中的马氏体体积分数密切相关,应变诱导马氏体相变是该钢种的主要变形机制.

摩擦磨损中的马氏体相变及其对材料磨损特性的影响

本文以１８Ｃｒ２Ｎｉ４ＷＡ为试验材料，经渗碳、淬火、回火处理，采取剥层跟踪分析的办法，对奥氏体在摩擦磨损过程中的相变行为、相变产物的晶体结构及形态进行了试验研究；同时在相变对磨损特性影响方面也进行了详细的分析研究，结果表明奥氏体在摩擦过程中会发生相变。

ECAP变形下304L奥氏体不锈钢的形变诱导马氏体相变

研究了304L奥氏体不锈钢在严重塑性变形(等通道转角挤压,ECAP)下发生形变诱导马氏体转变的微观持征,包括形核特征、长大方式和相变晶体学,探讨了粗大晶粒和亚微米晶粒发生马氏体相变的异同和微观机理.结果表明:粗大奥氏体晶粒发生相变时,马氏体主要形核于微观剪切带(包括层错、变形孪晶和ε相等)的相互交割处,马氏体与奥氏体之间为K S(Kurduumov—Sachs)关系,而不是西山(Nishiyama一Wassermann)关系;亚微米奥氏体晶粒发生相变时,马氏体则多在奥氏体晶界处形核,马氏体与奥氏体之间仍为K-S关系.

应力应变对马氏体相变动力学及相变塑性影响的研究

针对应力应变对马氏体相变动力学及相变塑性的影响进行了研究，得到了应力作用下相变动力学和相变塑性的计算模型，而且发现相变前预应变限制了相变塑性的数量和相变反应的速度，使之不能用弹性状态下得到的模型进行简单的外推，并利用应力应变诱导相变。

γ(fcc)→α(bcc)马氏体相变表面浮凸的AFM观察与定量分析

利用原子力显微镜 (AFM)及扫描电镜 (SEM)观察并定量分析了γ(fcc)→α(bcc)马氏体相变的表面浮凸。结果表明 :{ 2 5 9} f 马氏体表面浮凸为双倾动、帐篷 (∧ )型 ,{ 5 5 7} f 马氏体的表面浮凸为“孤立岛状”浮凸群 ,{ 2 2 5 } f 马氏体表面浮凸为具有层状结构的“三角形”浮凸群 ;{ 2 5 9} f 马氏体表面浮凸的宽度、高度及浮凸角度均大于 { 2 2 5 } f 马氏体“三角形”浮凸群 ,{ 5 5 7} f 马氏体表面浮凸群的高度最小 ,其浮凸角也最小。