电磁场与TiB2纳米粒子对CuAlMn形状记忆合金凝固组织和性能的影响

使用扫描电子显微镜、光学显微镜和电子万能测试仪研究了电磁场与Ti B2纳米粒子对CuAlMn形状记忆合金组织和力学性能的影响。结果表明:电磁场能够有效抑制Ti B2纳米粒子的团聚,改善Ti B2纳米粒子的晶粒细化效果。当Ti B2纳米粒子的加入量为1%,电磁场电流为120A时,CuAlMn形状记忆合金锭的晶粒尺寸从1.62 mm细化至0.41 mm;合金的力学性能得到大幅提高,其中抗拉强度和伸长率分别提高到674MPa和18.2%。

电磁场与TiB2纳米粒子作用下CuAlMn形状记忆合金晶粒细化技术研究

使用扫描电子显微镜和光学显微镜研究了电磁场与TiB2纳米粒子作用下CuAlMn形状记忆合金的晶粒细化机理。结果表明:TiB2纳米粒子与CuAlMn形状记忆合金基体的最小二维错配度是5.28%,因此,TiB2纳米粒子可以作为CuAlMn形状记忆合金的有效异质形核核心显著细化其晶粒组织。电磁场能够有效抑制TiB2纳米粒子的团聚,提高TiB2纳米粒子的晶粒细化效果并能减少球形孔洞缺陷。添加1%TiB2纳米粒子的同时施加120 A的旋转电磁场,可以将CuAlMn形状记忆合金真空熔铸铸锭的晶粒组织从1.62细化至0.41 mm。

功率超声电磁复合场对CuAlMn形状记忆合金组织和性能的影响

应用功率超声-电磁复合场来改善CuAlMn形状记忆合金的组织和性能。使用扫描电子显微镜、光学显微镜和力学性能测试技术研究了功率超声-电磁复合场对CuAlMn形状记忆合金组织和性能的影响。结果表明:在CuAlMn形状记忆合金凝固过程中施加600 W功率超声-90 A电磁复合场,可以得到最佳的晶粒细化效果,使CuAlMn形状记忆合金铸锭的晶粒组织从1.62 mm细化至0.41 mm;相应地,CuAlMn形状记忆合金的力学性能得到大幅提高,其中抗拉强度和伸长率分别提高到674 MPa和18.2%。

热处理工艺对CuAlMn形状记忆合金力学性能影响的研究

对采用真空中频感应炉熔炼出的CuAlMn形状记忆合金进行热锻、热轧和伴随中间退火的多道次冷拔加工后,制得直径为2 mm的线材。用普通热处理和循环热处理两种工艺对线材分别进行热处理,并对线材的组织和抗拉强度、超弹性、硬度进行了测试。结果表明:普通热处理时,随淬火温度的升高,晶粒尺寸由213μm增加至547μm,抗拉强度、维氏硬度分别由771 MPa、264降低至618 MPa、246,但会略微提高材料的超弹性,最大超弹性应变为2.5%;循环热处理时,随循环次数的增加,晶粒会发生异常长大,对应线材的抗拉强度和维氏硬度分别由348 MPa、240降低至302 MPa、226,超弹性应变由4%增加至10%,循环5次后,加载至10%应变后卸载,变形能完全恢复,表现出极佳的超弹性。

多孔CuAlMn形状记忆合金的制备及其压缩特性

首次以NaCl颗粒为造孔剂利用烧结-脱溶法成功制备出了多孔CuAlMn形状记忆合金,并对其宏、微观形貌特征及压缩性能进行了研究.结果表明多孔CuAlMn形状记忆合金为三维贯通的开孔网络结构,孔洞分布均匀,孔的大小、形貌与氯化钠颗粒相似.多孔CuAlMn形状记忆合金试样的准静态压缩应力-应变曲线分为明显的弹性区、平台区及致密化区3个区域.长而平的平台区表明多孔CuAlMn形状记忆合金具有良好的压缩吸能特性.

CuAlMn形状记忆合金的高阻尼特性

用悬臂梁弯曲共振法研究了新型CuAlMn系形状记忆合金在马氏体态和母相态的阻尼特性。研究结果表明:室温马氏体态Cu 10.5%Al 6%Mn(质量分数)和室温母相态Cu 11%Al 8%Mn形状记忆合金在表面应变振幅为4.05MPa时,都具有很高的阻尼性能,内耗Q-1接近0.1;两种形态的CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能都随应力振幅增加而下降,且母相态合金阻尼性能下降速度更快。

微量La添加对CuAlMn形状记忆合金组织和性能影响

利用OM、XRD、DSC、SEM、单向拉伸试验、弯曲回复率试验等方法研究了微量La添加对CuAlMn形状记忆合金显微组织、相变性能、记忆性能以及力学性能的影响。实验结果表明,添加La的合金晶粒细化明显,材料内部形成弥散析出相;马氏体转变开始温度相对于未添加合金有一定程度的提高。相变热滞明显小于未添加合金,记忆性能有所提高。添加La的合金抗拉强度为646.8MPa,断裂应变为21.7%,均高于未添加合金材料。拉伸断口分析表明材料由脆性断裂转为微孔聚集型的韧性断裂。

孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的制备

利用烧结蒸发法制备出了孔隙定向排列且分布均匀、三维相互连通的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金多孔材料。利用金相显微镜、扫描电镜观察和力学性能测试等手段对该多孔材料的性能结构进行了研究。结果表明,采用烧结蒸发法能制备孔隙率及孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金。

烧结-脱溶法制备多孔CuAlMn形状记忆合金

首次利用烧结-脱溶法以NaCl颗粒为造孔剂成功制备出了多孔CuAlMn形状记忆合金,并对其进行了物相分析,宏、微观形貌观察及马氏体相变行为的研究。结果表明所得多孔CuAlMn形状记忆合金中孔洞分布均匀,且相互连通。材料的弯曲断口表现出一定韧性断裂特征,且可以看出合金粉末颗粒间结合呈冶金结合,无单独、分离的合金粉末颗粒存在,说明多孔合金的烧结质量较高。热处理后的合金组织为全马氏体相,DSC曲线上出现明显的吸、放热峰,表明其马氏体相变行为良好。

CuAlMn形状记忆合金微观组织对阻尼性能的影响

研究了一系列典型CuAlMn系形状记忆合金的室温组织和阻尼特性。表面应力振幅4 05MPa时,马氏体态和母相态的室温阻尼性能相当(Q 1≈0 1)。当应力振幅由4 05MPa增加到40 5MPa时,无论是在马氏体态还是母相态,CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能都随应力振幅增加而下降,但母相态阻尼性能下降速度更快。研究结果说明常温下应力振幅对阻尼性能的影响不同于升降温过程。

CuAlMn形状记忆合金的电阻点焊

采用金相观察、X射线衍射、显微硬度测试等方法研究了CuAlMn形状记忆合金的电阻点焊焊接接头的显微组织、记忆恢复率等性能。试验结果表明:焊后的CuAlMn形状记忆合金焊缝以柱状晶为主,与母材相比,物相和显微硬度只有微小的变化;采用电阻点焊方法焊接CuAlMn形状记忆合金,焊后的形状记忆恢复率达到了母材的80%以上。

变形对CuAlMn形状记忆合金组织和性能的影响

以Cu9.2A l8.8Mn合金为研究对象,通过对不同变形后合金的组织观察和性能测试,研究了变形对CuA lMn形状记忆合金组织和性能的影响。实验表明,适当的变形和热处理可以细化CuA lMn形状记忆合金的晶粒,同时可以提高合金的综合性能。

稀土Y元素对CuAlMn形状记忆合金晶粒细化及其力学性能的影响

CuAlMn形状记忆合金具有优良的耐热稳定性和高阻尼特性,在多种领域有着明确的目标需求,然而,晶粒粗大易导致沿晶断裂,严重弱化了合金的力学性能。为改善合金力学性能,引入了稀土Y元素,采用电弧熔炼吸铸炉制备了Cu-11.36Al-5Mn-xY(x=0~3,质量分数/%,下同)系列铸态合金,又经固溶时效对合金微观组织进行了调控和均质化。采用DSC、XRD、金相和SEM对合金的相变、物相、微观组织结构进行了表征。通过显微硬度计和万能材料试验机测试了合金的硬度和力学性能。结果表明,Y元素添加可有效细化CuAlMn合金晶粒,晶粒尺寸从数百微米下降至10μm左右,同时伴随着大量网格状含Y析出相沿晶析出,冷却过程中晶粒形核区的增多和生长受到抑制是晶粒细化的主要因素。合金硬度随Y元素添加量的增大而升高,这与合金中大量含Y硬脆相的析出有关,Y含量越高,析出相体积分数越高,此外,固溶时效态样品硬度高于铸态样品,源于固溶时效态样品析出相在整个基体内的分布和更高的析出相体积分数。合金的压缩强度和拉伸断裂强度在Y元素含量为0.1%~0.4%时得到明显提升,其强化机制可通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化来理解。合金压缩断裂应变在Y元素含量为0.4%时达到最大,断后伸长率在Y元素含量为0.1%时达到最大,其变化趋势与晶粒细化和沉淀析出相的耦合效应有关。

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

退火工艺对Ti-Ni-V形状记忆合金相变和形变行为的影响

利用差示扫描量热仪和拉伸试验研究了400℃×10~120 min和500℃×10~120 min退火态Ti-50.8Ni-0.5V合金的相变行为、拉伸性能和形状记忆行为。结果表明:随退火温度和时间变化,合金的相变类型、R相变温度T_(R)和热滞ΔT_(R)、马氏体相变温度T_(M)和热滞ΔT_(M)、抗拉强度R_(m)、伸长率A、应力诱发马氏体相变临界应力σ_(M)、加载-卸载残余应变ε_(R)和能耗W_(D)的变化规律如下:400和500℃退火态Ti-50.8Ni-0.5V合金皆发生B2→R→B19’/B19’→R→B2(B2-母相,CsCl型结构;R-R相,菱方结构;B19’-马氏体相,单斜结构)型相变;T_(R)^(400℃)>T_(R)^(500℃),T_(M)^(500℃)>T_(M)^(400℃),ΔT_(M)^(400℃)>ΔT_(M)^(500℃)≥ΔT_(R)^(400℃)≈ΔT_(R)^(500℃)≈4℃;R_(m)^(400℃)>R_(m)^(500℃),A^(500℃)>A^(400℃);400℃退火态合金的超弹性(SE)稳定性高于500℃退火态合金。随退火时间延长,T_(R)^(400℃)、T_(R)^(500℃)、T_(M)^(400℃)和T_(M)^(500℃)升高,ΔT_(M)^(400℃)和ΔT_(M)^(500℃)减小,ΔT_(R)^(400℃)和ΔT_(R)^(500℃)在3.5~4.6℃之间变化;400℃退火态合金保持SE,500℃退火态合金由SE向SE+SME(形状记忆效应)转变;σ_(M)^(400℃)和σ_(M)^(500℃)降低;W_(D)^(400℃)和W_(D)^(500℃)增加;ε_(R)^(500℃)先降后升;ε_(R)^(400℃)在0.64%~1.36%之间变化。要使Ti-50.8Ni-0.5V合金获得较高的T_(R),可对其进行400℃退火;要使该合金获得较高的T_(M),可对其进行500℃退火;要使该合金在室温下获得超弹性,可对其进行400℃×10~120 min或500℃×10~60 min退火。

CeO_(2)添加量对电弧增材制造铁基形状记忆合金组织和性能的影响

采用粉芯丝材+电弧增材制造技术制备了含不同质量分数(0,1%,2%,3%)CeO_(2)的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni铁基形状记忆合金,研究了CeO_(2)添加量对试验合金显微组织和形状记忆性能的影响。结果表明:添加质量分数1%的CeO_(2)后,合金晶内析出相减少,晶界处析出较大尺寸的稀土化合物,组织均匀,弯曲变形后未出现ε马氏体跨晶生长现象,且马氏体交叉状态较少;当CeO_(2)质量分数增加至2%和3%时,晶内析出相增多,分布均匀性变差,且在弯曲变形后ε马氏体跨晶生长和交叉特征增多;随着CeO_(2)添加量增加,试验合金的晶粒尺寸减小,层错概率增大,形状回复率先增大后减小,当CeO_(2)质量分数为1%时晶粒尺寸较小,层错概率较大,形状回复率最大,形状记忆性能最好。

形状记忆合金驱动的人工逼尿肌系统

针对神经源性、肌源性膀胱缺乏有效治疗手段的现状,从工程学角度提出了一种新的解决方案——人工逼尿肌系统。基于形状记忆合金(SMA)弹簧的形状记忆效应,设计了由无线能量传输模块、控制模块、反馈模块和执行模块组成的系统结构,旨在实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中首先建立了人体膀胱的有限元模型,仿真分析了人体膀胱的储尿和辅助排尿过程,在仿真结果的基础上结合SMA弹簧的数学模型,对SMA弹簧致动器的结构参数进行了优化设计;其次,结合实验数据推导了SMA弹簧温度-自由高度方程;然后,结合热力学公式和弹簧数学模型推导了系统控制方程,并在此基础上提出了系统开环控制策略;最后,基于系统的反馈模块,设计了比例积分微分(PID)闭环控制策略,并搭建模拟实验平台研究了系统的尿流率特性。结果表明:系统原理可行,辅助排尿过程连续可控,在应对不同尿液容量时两种控制策略均能实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中结果可为设计适用于临床的人工逼尿肌系统提供指导,也可为其他以SMA弹簧作为致动器的植入装置的设计提供借鉴和参考。

功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能研究

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达到纳米尺度,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的。为了探究表面效应对功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能的影响规律,基于梁弯曲理论及Gurtin⁃Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对FG⁃SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的FG⁃SMA纳米梁相变力学模型。分析了梯度指数、载荷、温度及拉压不对称系数对FG⁃SMA纳米梁力学性能的影响规律。研究表明,弯矩、梯度指数对截面响应影响显著,而温度和拉压不对称系数对其影响较小;忽略表面效应的影响会低估FG⁃SMA纳米梁的抗弯性;在弯矩达到一定程度后,表面效应对FG⁃SMA纳米梁中性轴偏移趋势影响不大。研究结果对FG⁃SMA纳米梁在微机电领域的设计及应用提供了一定的基础与依据。

富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

基于形状记忆合金的软体指套设计与精确控制

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的软体指套。设计了基于霍尔传感器的传感系统,以精确感知指套弯曲状态。通过分析人手的结构和运动特征,建立了指套的运动学模型。最后,搭建实验平台,开展传感器标定实验分析,完成锯齿状速度曲线跟踪。实验结果表明:软体指套通过高精度的位置信息和经典PID控制器,能够实现精确运动控制。