镍钛形状记忆合金管滚珠旋压变形机制及组织演变机理研究

滚珠旋压作为一种三向应力加载的连续局部塑性成形工艺，被应用于成形生物医学介入支架用镍钛形状记忆合金薄壁管。由于镍钛形状记忆合金管坯在Mf温度以下、Af 至Md温度之间和Md温度以上处于不同的组织状态，因而在滚珠旋压加载过程中表现出不同的变形行为、本构关系和组织演变。因此，研究处于Mf温度以下、Af 至Md温度之间和Md温度以上的镍钛形状记忆合金管坯在滚珠旋压加载下的变形机制和组织演变机理，探索奥氏体状态镍钛形状记忆合金管坯在滚珠旋压加载下是否发生应力诱发马氏体相变，分析马氏体状态镍钛形状记忆合金管坯在滚珠旋压加载下如何发生马氏体的再取向变形和位错滑移塑性变形，揭示滚珠旋压变形对镍钛形状记忆合金薄壁管的形状记忆效应和超弹性的影响规律，为制造出适合生物医学介入支架用的镍钛形状记忆合金薄壁管提供理论基础，具有重要的科学意义。

反向滚珠旋压作为一种使变形区处于三向压应力状态的连续局部塑性变形工艺，首次被应用于成形生物医学介入支架用镍钛形状记忆合金薄壁管。采用刚粘塑性有限元模拟技术，应用自行构建的镍钛形状记忆合金高温塑性本构方程，对镍钛形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形进行了模拟，获得了不同工艺参数下的镍钛形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形的应力场、应变场、速度场和温度场，揭示了镍钛形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形的基本规律，优化了镍钛形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形的工艺参数，为生物医学介入支架用镍钛形状记忆合金薄壁管的滚珠旋压成形提供科学的理论基础。采用元胞自动机模拟技术，应用自主开发的元胞自动机模拟程序，对镍钛形状记忆合金高温塑性变形的动态再结晶进行了组织模拟，获得了镍钛形状记忆合金动态再结晶过程中位错密度演化的基本规律，揭示了镍钛形状记忆合金动态再结晶形核和长大的基本机制。创新性地将有限元模拟技术和元胞自动机模拟技术相结合，对多场耦合下的镍钛形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形的不同变形区显微组织进行了模拟。研究了奥氏体镍钛形状记忆合金在三向压应力状态下的塑性屈服行为，揭示了奥氏体镍钛形状记忆合金在三向压应力状态下的应力诱发马氏体相变、变形孪晶和位错滑移机制。研究了低温环境下马氏体镍钛形状记忆合金在三向压应力状态下的塑性变形行为，揭示了马氏体镍钛形状记忆合金在三向压应力状态下的马氏体再取向和位错滑移机制。实验结果表明，三向压应力状态在室温以下可以实现镍钛形状记忆合金的大塑性变形，从而导致镍钛形状记忆合金的非晶化。基于几何必须位错和统计存储位错，建立了镍钛形状记忆合金塑性变形非晶化的临界位错密度模型，揭示了镍钛形状记忆合金塑性变形非晶化的基本机制。基于非晶镍钛合金具有较低热稳定性的亚稳特征，通过热处理实验实现了非晶镍钛合金的晶化。实验结果表明，在300℃和450℃退火2个小时，非晶镍钛形状记忆合金完全纳米晶化，而且较小的纳米晶粒抑制了镍钛形状记忆合金的马氏体相变；在600℃退火2个小时，完全晶化的镍钛形状记忆合金晶粒较为粗大，且含有大量的马氏体退火孪晶。