钛基形状记忆合金宽温域超弹性机理研究

Shape memory alloy is a type of important smart metal, which has been widely used in aviation, aerospace and biomedical applications. Recently, the applicant has found a new phenomenon of the superelasticity of Ti based shape memory alloy in wide temperature range. In this project, the microstructures, stress-strain relationship and superelasticity of Ti based shape memory alloy will be extensively investigated. Phase transformation behavior upon heating and cooling will be explored as well as the microstructure changes, e. g. phases and dislocations, during the deformation at various temperatures. The mechanisms of the superelasticity in wide temperature range and the abnormal relationship between the critical stress of stress induced martensite and temperature will be clarified. The achievements will be beneficial to the deep understanding of the phase transformation characteristics of Ti alloys and, moreover, have important theoretical values to the development of superelastic shape memory alloy with high performance.

形状记忆合金是一种重要的金属智能材料，在航空、航天和生物医用领域得到了广泛应用。最近，申请人在研究中发现了钛基形状记忆合金中的宽温域超弹性新现象。本项目拟通过系统研究钛基形状记忆合金的微观结构、应力-应变关系和超弹性功能特性，系统研究合金在变温过程中的相变行为，研究合金在不同温度变形时微观结构（相组成、位错结构）的变化规律，从而揭示钛基形状记忆合金宽温域超弹性特性及其应力诱发马氏体临界应力与温度反常关系的内在机制。相关研究结果有助于我们深入理解钛基合金的相变特点，对发展高性能超弹性形状记忆材料具有重要理论价值。

Ti-Zr基形状记忆合金是一种新型金属智能材料，在航空航天、生物医学等领域具有重要应用前景。本项目系统研究了Fe、Ta、Al和Nb等元素对Ti-Zr基合金的微观组织、相变、力学性能和记忆特性的影响规律，深入揭示了合金宽温域超弹性行为的内在机制。主要结果如下：Nb在Ti-Zr记忆合金中是β相稳定元素，不同预应变后Ti-30Zr-5Nb合金的逆马氏体相变温度几乎保持恒定。这是由于合金内部的化学自由能远高于预应变造成的弹性能释放和耗散能增加，所以不会引起马氏体稳定化。Fe在Ti-Zr-Nb合金中具有很强的β相稳定效果，β相含量随Fe含量增加而增大。Ti-19.5Zr-10Nb-0.5Fe合金从室温加热到683K时，发生从α″马氏体相—β相—ω相—α相的系列转变，到773K时相组成为β相+α相+ω相，最终到873K时发生α相→β母相的逆转变。退火温度直接影响Ti-19Zr-10Nb-1Fe合金的相组成、微观结构、力学性能和超弹性，而晶粒尺寸和缺陷密度决定了应力诱发马氏体相变临界应力及超弹性大小。Ta元素在Ti-20Zr-10Nb合金中作为β相稳定元素，可以抑制ω相的出现。Ti-20Zr-10Nb-4Ta合金预应变后出现了马氏体稳定化现象，这归因于低应变时马氏体变体再取向导致的弹性能释放，以及高应变情况下大量位错和缺陷导致的耗散能增加。Zr元素在Ti-xZr-Nb-4Ta合金中作为β相稳定化元素存在，使逆马氏体相变温度随Zr元素增加呈现非线性变化下降趋势。Al元素在Ti-20Zr-10Nb合金中也是β相稳定化元素，显著提高了马氏体再取向应力和抗拉强度，退火时间影响合金的晶粒尺寸，进而影响力学性能。在从室温到123K的范围内过程中，Ti-19Zr-10Nb-1Fe合金始终具有超弹性特性。如果定义T0温度被为不受外力条件下的理想冻结温度，当温度T>T0时，应力诱发马氏体相变临界应力（σc）与温度（T）曲线遵循Clausius-Clapyeron关系；当温度T<T0时，则呈现出与了一个完全相反的σc-T关系曲线。其可能的机制是：合金降温过程中不发生马氏体相变，而是发生了应变玻璃转变，再加上ωath相随温度的变化，从而导致出现特殊的σc-T关系曲线。