第40卷第5期2004年5月
理化检验2物理分册
PTCA(PARTA:PHYSICALTESTING)
Vol.40 No.5May2004
试验研究
高耐热Cu2Al2Mn形状记忆合金 热循环特性
李 周,程建奕,汪明朴
(中南大学材料科学与工程学院,长沙410083)
摘 要:利用电阻2温度曲线、形状记忆效应(SME)测定和X射线衍射分析等方法研究了热循
)的Cu224Al23Mn(原子百分比,下同)形状记忆合金马氏体相变的影响。结果环对高Ms点(230℃
表明,热循环使该合金马氏体相变点下降,与此相伴随的结构变化是马氏体原子次近邻有序度下降,单斜角β趋近90°。与传统铜基记忆合金相比,该合金具有较高的抗热循环衰减能力,最高工作温度可达350℃。该合金的高耐热性来源于β1母相结构稳定,在工作温度下不易分解以及马氏
)接近于N18R,在一定程度上抑制了热循环过程中M18R向N18R的转变,从而体结构(β=.6°
降低了马氏体发生稳定化的趋势。
关键词:形状记忆合金;Cu2Al2Mn合金;马氏体;热循环中图分类号:TG146 文献标识码:A 文章编号:100124012(2004)0520217203
THERMALCYCLINGCHARACTERISTICOFCu2Al2MnSHAPEMEMORY
ALLOYWITHHIGHTHERMALSTABILITY
LIZhou,CHENGJian2yi,WANGMing2pu
(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)
Abstract:TheeffectofthermalcyclingonmartensitetranformationinCu224Al23Mn(at%)shapememoryalloy
(SMA)withhighMstemperaturehasbeenstudiedbymeansofelectricalresistivityvstemperature(ρ2T)measurementandX2raydiffraction.Itisshownthatwithincreasingnumberofthermalcycle,thetransformationtemperaturesdecreased,thenextnearestneighboringorderingdegreereducedandthemonoclinicangleβapproachedto90°.ComparedwithconventionalCu2basedSMA,thepresentalloyexhibitsratherhighthermalstabilityandcanworkat350℃.Itsexcellentthermostabilityresultsfromitsstableβ1parentphasebeingdifficulttodecomposeatoperatingtemperatureand)closetoN18RwhichinhibitthetransformationprocessofM18R→itsmartensitestructure(β=.6°N18Randrepressthetendencyofmartensitestabilizationtosomeextent.
Keywords:Shapememoryalloy;Cu2Al2Mnalloy;Martensite;Thermalcycling
1 引言
铜基记忆合金耐热稳定性的研究(包括抗马氏
体稳定化性能、抗母相时效分解性能和抗热循环衰减性能)一直是铜基记忆合金研究的热点问题之一。合金在马氏体状态时效时,马氏体发生稳定化(失去
收稿日期:2003212224
基金项目:国家自然科学基金资助(50071069)作者简介:李周(19692),男,副教授,博士。
热弹性)的主要原因是马氏体结构失稳[15],表现在晶体学上实质是一个M18R(单斜)→N18R(正交)的转变过程[4],母相状态时效时常发生母相向贝氏体转变甚至发生分解[6],可逆马氏体转变量降低(时效初期母相有序度可能提高,记忆效应随之提
高);而热循环过程一般使合金有序度降低以及产生位错而使合金记忆性能衰减[5]。总而言之,铜基记忆合金热稳定性与马氏体相和母相结构稳定性密切相关。
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李周等:高耐热Cu2Al2Mn形状记忆合金热循环特性
笔者对比研究了热循环对Cu224Al23Mn和Cu219Zn213Al(原子百分比,下同)形状记忆合金马氏体相变的影响。
2 实验方法
实验合金Cu224Al23Mn经中频感应熔炼后铸锭,900℃均匀化退火24h,铣去表面缺陷,热轧成1mm厚的板材,850℃固溶10min,水淬。热循环温度为室温至350℃,合金马氏体的相变过程利用电阻2温度曲线的测量来进行;形状记忆回复率的测量方法与原理见文献[7];X射线衍射实验及数据处理均在D25000衍射仪上进行,样品采用颗粒大小为180200目的粉末(用板材样品锉取),将其封入充氩气的石英管内,迅速加热至850℃,保温10min,水淬。
点的降幅甚微。
图2同时示出了实验合金形状回复率(SME)随热循环次数的变化而变化的情况。可见循环次数增加,形状记忆回复率下降,同相变点的变化规律一致,SME的降低也主要集中在前10次循环过程中,其后SME下降得非常缓慢,至500次时,SME仍高达95%。
2 热循环对Cu224Al23Mn合金相变点及记忆效应的影响Fig.2 Effectofthermalcyclingonthetransformation
temperatureandSMEofCu224Al23Mn
3 实验结果
3.1 热循环对合金相变点的影响
图1示出了Cu224Al23Mn合金直接淬火后测得的电阻2温度曲线。可见Cu224Al23Mn合金在直接淬火后加热,其As点较淬火后经一次热循环的As(200℃)移向更高的温度(400℃左右),在430℃附近转变结束;冷却时,当温度降至230℃附近,该合金仍发生了热弹性马氏体转变,这说明该合金淬火后发生了马氏体稳定化效应,As点升高,但加热至430℃,马氏体仍未发生分解,在随后的冷却过程中仍能发生热弹性马氏体相变。
图3为Cu219Zn213Al(Mf=-5℃,Ms=10℃,
)合金在-60℃As=8℃,Af=22℃与60℃温度之间进行热循环时相变点的变化情况。从图中可以发
现,随着热循环次数的增多,Ms,Mf,As和Af温度都呈下降趋势。在110次循环中,相变变化幅度较大,△Ms,△Mf,△As和△Af依次为24℃,18℃,12℃和22℃,而在随后的循环中,各相变点的变化幅度减缓。形状记忆回复率的变化规律与合金相变点的变化规律一致,经500次热循环后,SME仅为70%。
图1 Cu224Al23Mn合金淬火后的电阻2温度曲线ρ2Tcurveofas2quenchedCu224Al23MnalloyFig.1
图3 热循环对Cu219Zn213Al合金相变点及
记忆效应的影响
Fig.3 Effectofthermalcyclingonthetransformation
temperatureandSMEofCu219Zn213Al
图2为经过不同次数热循环后Cu224Al23Mn合金相变点的变化。由图可见,随着热循环次数的增多,Ms,Mf,As和Af温度都呈下降趋势。跟踪热循环中单一相变点的变化发现,各点值下降主要发生在第110次循环,ΔMs,ΔMf,ΔAs和ΔAf依次为15℃,12℃,6℃和13℃,在随后的循环中,各相变
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比较两种合金,Cu224Al23Mn合金抗热循环衰减能力强,而且该合金热循环上限温度为350℃,远
高于已报道的众多铜基形状记忆合金(一般不高于
),该实验合金可望作为高温形状记忆合金得120℃
李周等:高耐热Cu2Al2Mn形状记忆合金热循环特性
以应用。3.2 热循环对马氏体X射线衍射谱的影响
图4为Cu224Al23Mn合金马氏体X射线衍射谱随热循环的变化情况。可见,随着热循环的进行,111和019两峰强度变小,但变化幅度较小。由于111和019有序峰对反映的是18R结构马氏体中基面次近邻原子(nnn)有序度的大小[5],其强度减小
并未发生分解,在随后的冷却过程中,在230℃附近仍发生热弹性正相变,说明该合金母相状态有较高的耐热性能,而且在热循环过程中相变点温度下降也甚微,这主要来源于母相结构的稳定性。本实验
βα+合金的成分接近共析点,β1母相结构稳定,1→
γ2+β(即母相向平衡相分解)转变过程在一定程度上受到了抑制[8]。
实验合金热循环温度处在Ms点以下时,相当于合金在马氏体状态进行时效。传统铜基记忆合金的马氏体大多具有M18R结构,马氏体晶胞单斜角
)[3],β一般均<°,如Cu218Zn214Al(β=88.6°
)[9,10]等,这些合金淬火态Cu30Au25Zn45(β=88.5°
马氏体的320和040峰的Δd值较大,时效时马氏
体易发生稳定化,与此相伴随的是12l与20l,32l与04l(包括040与320)峰对的Δd值逐渐减小,马氏体晶胞单斜角β逐渐接近90°,马氏体结构由M18R向N18R转变。Cu224Al23Mn合金淬火态马
表明热循环使合金(nnn)有序度降低。从图4可看
出,320与040峰在淬火态呈现肉眼难以分辨的较宽单峰(经过分峰处理后其d值分别为d040=0.1317;d320=0.1296[4])。随着热循环的进行,Δ2θ(等于2θθ2θ是衡040-2320)逐渐减小。由于Δ
Δ2θ越小,马氏体单斜角β量晶胞单斜角的量度[3],
Δ2θ=0时,β=90°越大。。因此上述现象表明热循环使马氏体晶胞单斜角β向90°趋近,即发生了马氏体结构由单斜18R(M18R)向正交18R(N18R)的转变。本实验合金因其结构接近正交结构(β=
),在加热时效的过程中,虽发生由近N18R结16°
构向N18R转变的趋势(FWHM减小),但其程度小。氏体的040与320衍射峰Δd值较小,其结构非常
)[4],这意味着本实验合金在接近N18R(β=.6°马氏体稳定化过程中单斜角β变化最大只能为0.4°,而Cu2Zn2Al合金马氏体在稳定化过程中单斜角
β变化幅度>1°,因此本实验合金表现出较高的稳定性。
5 结论
(1)Cu224Al23Mn合金β1母相结构稳定,在工
图4 Cu224Al23Mn合金马氏体X射线衍射谱
随热循环的变化
Fig.4 VariationoftheX2raydiffractionprofileofthemartensiteinCu224Al23Mnalloywiththermalcycling
作温度下不易分解,耐热性高。
(2)Cu224Al23Mn合金热循环过程中,相变点温度下降,但温度降幅较小,合金具有较高的高温稳定性。
(3)Cu224Al23Mn合金马氏体结构接近于N18R,抑制了M18R→N18R的转变过程,从而降低
4 讨论
实验合金热循环温度处在Af点以上时,相当于合金在母相状态进行时效。传统的淬火态Cu2Zn2Al形状记忆合金[13]在加热过程中,淬火态马氏
了马氏体稳定化趋向和马氏体分解趋向。参考文献:
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体在正常转变温区不能发生马氏体逆转变,只有进一步加热才能逆变,逆变成母相后,若继续升温至
200℃以上,母相β1很快分解成β+α+γ2平衡相,随后冷却时不再发生马氏体逆转变。与此相比,Cu224Al23Mn合金虽在正常转变温区也不发生逆转变,
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但继续加热至400℃使之逆相变为母相后,该母相
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理化检验2物理分册
PTCA(PARTA:PHYSICALTESTING)
Vol.40 No.5May2004
中国机械工程学会失效分析分会和理化检验分会
2004′全国失效分析会议征文通知
中国机械工程学会失效分析分会和理化检验分
会将于2004年12月在广州联合召开2004′全国失效分析会议。会议旨在推动失效分析在全国各个领域的应用;加强国内从事失效分析的技术和管理人员间的交流;研讨我国失效分析工作的发展。一 征稿范围
1.失效分析综述
2.失效分析原理与方法
3.失效机理研究
4.失效分析中的理化检验技术5.设计相关的失效6.材料和工艺相关的失效7.服役环境相关的失效8.失效预防技术9.电子元器件的失效分析与预防语拼音。
4.应征论文所附图表必须清楚,文中易混淆的外文字母、大小写、正斜体必须标注清楚。
5.应征论文请作者自留底稿,不论录用与否一
概不作退稿处理。
6.投稿者请务必写清姓名、单位、通信地址、电话及E2mail地址。
7.截稿日期:2004年8月30日稿件录用通知:2004年9月30日8.论文格式详细要求见《理化检验2物理分册》2003年第8期第440页上的征稿简则。
9.每篇论文不超过4页,交版面费500元(含审稿费)。
稿件寄至:北京航空航天大学内中国机械工程学会失效分析分会,邮编:100083。
上海市邯郸路99号中国机械工程学会理化检验分会,邮编:200437。
联系电话:(010)82317128,(021)65557357;E2mail:zhangzh@buaa.edu.cn,gqyan@online.sh.cn。联系人:田永江,陶美娟。
主办单位:中国机械工程学会失效分析分会
中国机械工程学会理化检验分会
二 征文要求
1.全文征稿。应征论文必须是未在国内科技期刊上公开发表或在有关学术会议上交流过的,或已投寄相关期刊待发表的。
2.来稿一式二份(纸型:A4),并提交电子文档(一律采用Word文档)软盘,同时接受电子投稿。
3.论文应附250300字的中英文摘要、论文题
目及作者所在工作单位的英译名以及作者姓名的汉
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