鍛態(tài)Ni60Ti合金普通時效處理中的氧化行為研究開題報告

1、畢業(yè)設計開題報告題目：鍛態(tài)Ni60Ti合金普通時效處理中的氧化行為研究專業(yè)名稱: 材料成型及控制工程 班級學號: 學生姓名: 姜鈺榮 指導老師: 魯世強 填表日期 2014 年 4 月 6 日目 錄一 選題的依據、意義及目的：(1)二 國內外研究概況及發(fā)展趨勢(1)2.1 國內外NiTi合金的研究概況(1)2.2 國內外TiNi合金的發(fā)展趨勢(2)2.3 NiTi合金氧化行為研究現(xiàn)狀(3)三 研究內容及研究方案(4)3.1研究內容(4)3.2研究方案(5)四、目標、主要特色及工作進度(5)4.1目標(5)4.2主要特色(5)4.3工作進度(5)參考文獻(5)1 選題的依據、意義及目的：形狀記憶

2、合金(Shape Memory Alloy,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect,SME)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應用1。NiTi形狀記憶合金是目前所有形狀記憶合金中應用最早，研究最充分，性能最可靠的一種形狀記憶合金，已被廣泛地應用于航空航天、機械制造、建筑等工程領域和醫(yī)學

3、領域2-5。隨著NiTi合金（以下統(tǒng)指NiTi形狀記憶合金）在各個領域的應用不斷擴展,人們也迫切地希望深入地了解其更為詳細的特點和性能。然而，由于其應用正變得普遍，更需要知道關于它在高溫環(huán)境中的氧化行為對材料力學性能的影響，在前人對NiTi合金所進行的各項研究中，關于NiTi形狀記憶合金氧化行為方向的研究還不是很多。Ni60Ti合金氧化行為的數據很少,Ni60Ti合金的氧化機制也不能很好地理解。加熱工藝參數對實際生產提供理論預測指導，因此我們更需要知道鍛態(tài)Ni60Ti合金在不同加熱溫度下的氧化行為。如今NiTi合金已廣泛用于航空航天、核能海洋工程等領域的關鍵零部件中，所以去了解NiTi合金的氧

4、化行為是很有意義的，例如NiTi合金氧化層的成分對其抗氧化性的影響等。本課題將通過對鍛態(tài)Ni60Ti合金進行普通時效處理來研究其氧化行為，一方面分析加熱工藝參數對合金氧化層厚度和重量變化的影響規(guī)律以及氧化層相的組成成分，另一方面分析加熱工藝參數對基體組織晶粒尺寸以及硬度變化的影響規(guī)律。希望通過本課題的研究能進一步了解鍛態(tài)Ni60Ti合金的高溫氧化行為，所得分析結果能對其實際生產提供理論依據與指導。2 國內外研究概況及發(fā)展趨勢2.1國內外NiTi合金的研究概況在金屬中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應最早可追溯到20世紀30年代。1938年,美國的Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬

5、氏體的熱彈性轉變。隨后,前蘇聯(lián)的Kurdiumov對這種現(xiàn)象進行了研究。1951年,Chang和Read在Au-47.5at%Cd合金中用光學顯微鏡觀察到馬氏體界面隨溫度的變化而發(fā)生遷動。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。數年后,Burkhart在In-Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當時,這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直到1963年,美國海軍武器實驗室的Buehler等人發(fā)現(xiàn)等原子比的Ti-Ni合金具有優(yōu)良的形狀記憶功能,并成功研制出具有實用價值的形狀記憶合金“Niti-nol”以后,才引起了人們的廣泛興趣,對形狀記憶合金的研究從此進入了一個

6、新的階段7。1969年,Raychem公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應用于美國F14戰(zhàn)斗機上;1970年,美國將TiNi記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀70年代,相繼開發(fā)出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形狀記憶合金;80年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金,由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀90年代至今,高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點8。從SMA的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史,美國、日本等國家對SMA的研究和應用開發(fā)已較為成熟,同

7、時也較早地實現(xiàn)了SMA的產業(yè)化。我國從1977年開始Ti-Ni合金研究,已有20多年的歷史。研究單位包括哈爾濱工業(yè)大學、北京有色金屬研究總院、上海鋼研所、天津冶金材料研究所、西北有色金屬研究院、大連理工大學、華南理工大學、上海交通大學等幾十個單位和院校。研究可大致分為三個階段:(1)1978年1986年,主要從事形狀記憶效應、超彈性、生物相容性等基礎研究,取得了很多科研成果,為以后的應用開發(fā)奠定了基礎;(2)1987年1997年,主要開展應用研究,材料的研制單位和應用單位加強聯(lián)合,開發(fā)實用化技術,生產技術逐漸成熟,產品性能趨于穩(wěn)定,產量提高,尤其是深加工技術得到明顯改進,產業(yè)化條件日趨成熟;(

8、3)1998年至今,市場已經形成,并很快吸引了一批綜合實力優(yōu)越的公司開始專業(yè)化生產9。2.2國內外TiNi合金的發(fā)展趨勢NiTi合金自問世以來,經國內外專家和學者30多年的潛心研究和開發(fā),已經從實用化走向商品化,市場已初具規(guī)模,一個新興的產業(yè)正在形成。NiTi合金因為兼有溫度傳感器和驅動器一箭雙雕的效果,所以用其制造器 件可達到省力、節(jié)能、節(jié)省空間、降低成本的目的,其用途也是極其廣泛的。在美國以飛機、艦艇等軍事裝備為主在航空和航天技術上最早得到實用,并已推廣用于高科技和民用產品上。在俄羅斯、德國和法國其應用已遍及機械、冶金、礦山直到醫(yī)療器械等各個領域。在日本則以家用電器為主,廣泛用于日用工業(yè)品

9、生產。目前付諸實用的形狀記憶合金,主要是鎳鈦系合金和一部分銅鋅鋁系合金。今后將著重于開發(fā)更為廉價和節(jié)省鎳、鈦資源的實用性合金,特別是鐵基形狀記憶合金作為單向性形狀記憶合金用作連接件之類結構材料是有發(fā)展前途的。還將致力于開發(fā)使用溫度范圍更寬、疲勞壽命好、變形回復量大的合金,以及形狀記憶效應發(fā)生應力大、加工性等特性進一步改善的新型合金。我國擁有良好的鎳鈦資源條件,且形狀記憶合金應用大多為小型制品,用量都不太大。因此,在我國更有利于發(fā)展這類材料,為國防現(xiàn)代化和國民經濟建設服務。2.3NiTi合金氧化行為研究現(xiàn)狀根據新型Crl9Ni28Ti合金在700、800和900下高溫氧化后表面的XRD圖。合金7

10、00得到的氧化膜主要成分是基體合金和Cr203，還有少量Mnl.5Crl.5O4和Fe(Ni)Cr204的峰。當溫度升高到800時，光譜中出現(xiàn)了Fe2.95Si0.05O4的峰，并且基體的峰明顯減弱，而Cr203的峰增強。900時基體峰值減弱得更加明顯，增加了TiO2的峰。900氧化仍能檢測到基體峰。說明該合金產生的氧化膜非常薄，抗氧化性能好。這主要是因為高溫氧化生成了致密的保護性Cr203膜和Mn、Cr、Fe的復合氧化物10。姜飛11采用DSC測試來分析了NITi合金的相變溫度,相變潛熱和相變順序從而得到富Ni的NITi合金在不同時效條件下的相變行為；經對NITi合金進行普通時效處理,研究了

11、普通時效對相變行為的影響研究結果表明，不同的時效溫度處理NITi合金具有不同的相變行為和相變順序其次采用Instron3365電子拉伸實驗機，對不同時效態(tài)的NITi合金進行循環(huán)力學測試，綜合分析了時效溫度及拉伸溫度對NITi合金力學行為的影響研究結果表明:在相同的拉伸溫度下，經不同的時效溫度處理的NITi合金試樣有不同的拉伸行為;分別表現(xiàn)為:超彈性、部分超彈性和形狀記憶效應。在不同拉伸溫度下,隨著拉伸溫度的升高,NITi合金需要更大的應力去誘發(fā)馬氏體相變。當拉伸溫度上升到一定值時,NITi合金超彈性消失。最后,文中采用XRD來分析NITi合金不同時效狀態(tài)有不同的析出物的種類。結果表明,當時效溫

12、度在833K以下析出相是Ni4Ti3,當時效溫度達到833K一923K時析出物是Ni3Ti2,923K一1O00K時效溫度時的析出物是Ni3Ti,當時效溫度高于1000K合金中無析出物產生。C.L. Chu等12用熱重分析研究了近等原子比NiTi形狀記憶合金在5501000的干燥空氣中的等溫氧化行為。利用X-射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）和電子探針顯微分析對合金的氧化層進行深入研究。實驗結果表明，多分層的組成包括了最外的金紅石層、中間的由TiO2與Ni(Ti)相混合的多孔層，以及最內薄的TiNi3層。并且，在TiNi3界面中間層呈現(xiàn)出條紋狀的層狀結構。NiTi形狀記憶合金氧化的表

13、觀活化能為226kJ/mol，而且氧化速度符合拋物線規(guī)律。提出NiTi形狀記憶合金氧化機制的原理用來解釋所觀察到的結果。高智勇等13采用動態(tài)機械分析儀(DMA)、透射電鏡(TEM)和示差掃描量熱分析儀（DSC）等手段，系統(tǒng)地研究了時效處理對 TiNi 合金阻尼行為的影響規(guī)律及其微觀機制。結果表明，第二相粒子對合金阻尼行為具有不同的影響。細小、彌散的 Ti3Ni4相提高了 TiNi 合金相變過程中馬氏體的阻尼值，粗片狀的 Ti3Ni4相對阻尼行為的影響較小。李崇劍等14研究Ti-5018%Ni形狀記憶合金絲在-50e110e的力學性能以及力學性能、殘余應變、屈服平臺與溫度之間的關系。結果表明,在

14、不同溫度下,材料表現(xiàn)出不同的力學特征, 10e以上材料表現(xiàn)出超彈性,但當溫度達到110e以上時,超彈性消失。10e以下,材料表現(xiàn)出形狀記憶效應。10e左右時,應力誘發(fā)馬氏體達到最大量,最大可回復應變?yōu)?15%,此時屈服平臺最寬,殘余應變最小,超彈性最好。隨著溫度和應力的增加,不可逆塑性變形的比值增加,超彈性變形逐漸減弱以至消失。3 研究內容及研究方案3.1研究內容（1）分析中溫時效處理鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣重量的增加、厚度影響規(guī)律；（2）分析鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣氧化皮的組成物、相成分；（3）觀察鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣基體組織變化并分析其演變規(guī)律；（4）進行去除氧化皮后的鍛態(tài)Ni60Ti

15、合金試樣硬度測試 。3.2研究方案（1）利用試驗數據繪出試樣重量的增加與氧化時間的關系曲線，分析氧化時間對試樣重量的增加的影響；（2）利用XRD觀測氧化表面、氧化皮的組成相和組織；（3）利用金相顯微鏡和SEM觀察氧化試樣的橫截面和基體組織形貌；（4）利用硬度計測試去除氧化皮后的鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣硬度。4 目標、主要特色及工作進度4.1目標利用中溫時效處理對鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣氧化層重量的增加、厚度的變化影響規(guī)律 、合金試樣氧化層相的成分、時效處理對Ni60Ti合金晶粒尺寸的影響規(guī)律以及去除氧化皮后的鍛態(tài)Ni60Ti合金試樣硬度去了解合金在普通時效中的氧化行為。4.2主要特色本課題通過

16、對鍛態(tài)Ni60Ti合金表面氧化層的相組成的觀察、對合金表面氧化層的厚度、硬度的測量以及去除氧化層后，合金表面的顯微硬度的測量來研究合金時效處理中的氧化行為。4.3工作進度1、收集和閱讀相關資料，熟悉課題背景 2014.03.09-03.222、撰寫開題報告，翻譯外文文獻一篇 2014.03.23-04.063、進行鍛態(tài)Ni60Ti合金的普通時效實驗 2014.04.07-05.164、撰寫畢業(yè)論文 2014.05.06-06.165、答辯參考文獻1 肖恩忠，形狀記憶合金的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.2 Zhao L C，Cai W，Zheng Y F Shape Memory Effect and S

17、upe-relasticity in Alloys M Beijing: National Defence Industry Press，2002 3523 Kazuhiro Otsuka，Ren Xiaobing Recent development in the research of shape memory alloysJ Intermetallics，1999，7( 5) :5114 Zheng H，Zhu Z ANiTi shape memory alloy and orthopaedics application J International Journal of Orthop

18、aedics，2006，27( 4) : 2265 Liu K Y，Lei Y C，Cai W，Zhao L C The investigation progress on TiNi shape memory alloy J Materials Research and Application，2007，1( 2) : 866 炎彬，游碧龍循環(huán)流化床鍋爐風帽合金的組織及抗高溫氧化性能研究J功能材料，2012，43(8)：10681072.7 楊大智. 智能材料與智能系統(tǒng). 天津: 天津大學出版社,，2000.8 王 輝,陳再良.形狀記憶合金材料的應用.機械工程材料，2002，26(3): 58.9 劉禮華，楊 恒等.鎳鈦形狀記憶合金應用及產業(yè)化現(xiàn)狀.新材料產業(yè)，2002，(8): 2932.10 鄭玉峰.形狀記憶合金產業(yè)現(xiàn)狀與展望.新材料產業(yè)，2001(5): 1618.11 姜飛. 時效對富Ni的NITi合金相變和力學行為的影響. 工學碩士學位論文，哈爾濱工程大學.12 C.L. Chu, S.K. Wu*, Y.C. Yen .Oxidat