NiTi形状记忆合金超弹性的研究进展

近年来，有关NiTi形状记忆合金的研究取得了很多进展，本文主要介绍了NiTi形状记忆合金超弹性的基础研究、力学行为、在耐磨损性能方面的应用研究以及数学方面的某些进展和重要问题。     

近等原子比NiTi形状记忆合金的超弹性

研究了冷拔量、热处理工艺参数对Ｔｉ４９．８％Ｎｉ合金丝材的超弹性的影响。结果表明不同冷拔量、不同退火工艺处理的丝材获得完全超弹性的温度区间、超弹性特性都不相同，获得最大超弹性应变量的处理工艺为冷拔量３９％、退火温度７２３Ｋ、保温时间３０ｍｉｎ。     

不同直径NiTi形状记忆合金丝的相变和超弹性特性

研究了直径0. 25、0. 35和0. 45 mm的Ni Ti形状记忆合金丝的显微组织、马氏体相变和超弹性行为。研究发现:经400℃退火10 min后直径0. 25、0. 35和0. 45 mm冷拔Ni Ti丝的晶粒大小分别约为50、80和100 nm。随着合金丝直径的增大,马氏体相变温度升高,相变潜热增大。退火后的Ni Ti记忆合金丝在拉伸载荷作用下均具有优异的超弹性;随着合金丝直径的增大,最大超弹性应变量增加,诱发相变的临界应力先减小后增大。直径0. 35 mm的Ni Ti形状记忆合金丝的综合性能最优。     

热爆反应合成多孔NiTi形状记忆合金的性能

利用热爆方法来制备了多孔NiTi形状记忆合金.研究了在不同热爆温度下制备出的样品与其机械性能之间的关系.结果表明:在1 223 K下热爆反应制备的NiTi合金,具有大的孔隙度,高开孔率和基本各向同性,同时表现出较好的超弹性.对断口分析发现,断裂为脆性断裂和韧性断裂的复合.这表明改善孔洞分布和形态,可以极大地提高多孔NiTi形状记忆合金的机械性能和超弹性.     

纳米晶NiTi形状记忆合金/Nb纳米线复合材料的超弹稳定性

传统NiTi形状记忆合金因其低的强度显著降低了马氏体相变的超弹稳定性,本文通过熔炼、锻造、拔丝及退火获得了平均晶粒尺寸为14 nm的NiTi和Nb纳米线复合材料,并通过循环拉伸测试研究了该复合材料马氏体相变的超弹稳定性。结果表明：用6%的应变量循环拉伸10次后,纳米晶NiTi合金/Nb纳米线复合材料呈现低的残余应变(0.52%)、高的超弹应力(748 MPa)及低的超弹应力的降低率(16%),此综合性能优于以往研究的NiTi合金。这主要源于纳米晶NiTi合金/Nb纳米线复合材料中纳米晶粒产生的细晶强化和Nb纳米线产生的第二相强度,由此显著提高复合材料的强度并抑制马氏体相变过程中塑性变形的产生,因而提高了该复合材料马氏体相变的超弹稳定性。     

NiTi形状记忆合金在蒸馏水介质中的微动磨损特性

NiTi形状记忆合金是一种极具发展前景的医用植入材料.采用SRVⅢ摩擦磨损试验机考察了NiTi形状记忆合金在蒸馏水介质中的微动磨损性能,研究法向载荷对NiTi合金磨损机制的影响规律.利用扫描电子显微镜及能谱仪分析NiTi形状记忆合金表面磨痕形貌及磨损产物成分.用形貌仪测量样品表面磨痕深度,并对磨损体积进行计算.实验结果表明:NiTi合金在蒸馏水介质中的微动磨损摩擦系数、磨损体积均随着载荷的增大而增大.微动磨损失效机制以磨粒磨损以及疲劳剥层断裂为主.     

多晶NiTi形状记忆合金相变的细观力学本构模型

假设NiTi单晶在相变过程中具有层状的微观结构及理想的界面连续条件,推导出各相微观量与宏观量之间的关系,及相变驱动力的表达式,建立了单晶相变的控制方程,从而得到单晶的本构模型.以此为基础,利用Tayloy假设,建立了NiTi多晶的本构模型.通过控制应变进行加载,数值模拟了恒温条件下具有{111}织构的NiTi合金的力学响应,得到的应力-应变曲线与实验结果吻合较好.利用模拟结果讨论了拉伸与压缩的不对称性、软化和温度对NiTi合金变形的影响.     

轻质高强NiTi形状记忆合金的制备及其超弹性行为

采用球形尿素颗粒预造孔工艺结合梯级粉末烧结方法制备出孔形规则、孔径大的轻质高强多孔NiTi形状记忆合金.通过控制造孔剂(尿素)的含量可有效调节多孔合金的孔隙特征,获得孔径均匀,孔形圆整和孔隙率可控的样品,其中孔径为296-732 um,孔隙率为31%-61.6%;尿素形状和尺寸对多孔合金的孔隙特征有决定性影响,具有几何形态遗传性;尿素对多孔NiTi合金的组成相影响很小,相变仍具有马氏体相变特征;合金具有优良的力学性能和稳定的线性超弹性.     

NiTi形状记忆合金的加工方法

对ＮｉＴｉ形状记忆合金的多种加工方法如锻造、热挤压、轧帛昨拉拔、冷加工、粉末成形、包套碎片挤压成形、溅射沉积加工等进行了详细介绍。     

医用多孔NiTi形状记忆合金的研究进展

综述多孔NiTi形状记忆舍金的制备工艺、生物力学性能及生物相容性等方面的研究进展。国内外的研究表明，多孔NiTi合金具有优良的生物相容性和高的力学性能，其独特的孔隙结构可保证组织的长入和体液的传输，使植入物与人体骨组织的结合更加牢固可靠，多孔NiTi形状记忆舍金是一种具有良好应用前号的生物医用材料。     

激光熔凝处理对NiTi形状记忆合金微动磨损性能的影响

采用高功率连续波固体Nd:YAG激光器,对NiTi形状记忆合金进行激光表面熔凝处理,利用SRVⅢ摩擦磨损试验机考察激光熔凝处理对NiTi形状记忆合金微动磨损性能的影响.采用扫描电子显微镜及能谱仪分析NiTi形状记忆合金表面磨痕形貌及磨损产物成分;用形貌仪测量样品表面磨痕深度,并对磨损体积进行计算.结果表明,与NiTi合金相比,熔凝层摩擦系数,磨损体积均显著降低,表明激光熔凝处理提高了Ni-Ti合金的耐微动磨损性能.NiTi合金微动磨损机理主要表现为氧化和磨粒磨损,而Ni-Ti合金激光熔凝层磨损机制主要以疲劳剥层理论及磨粒磨损为主.     

峰值应力对NiTi形状记忆合金循环变形塑性行为的影响

对单轴循环加载下,峰值应力对NiTi形状记忆合金(SMA)塑性行为的影响进行了研究。考虑到实际工况,对NiTi形状记忆合金在3种应力条件下(恒定峰值应力、阶梯峰值应力以及震荡峰值应力)的峰值应变、残余应变以及耗散能的变化进行实验分析。对于恒定峰值应力,发现峰值应力越高,NiTi形状记忆合金的超弹性劣化现象就越明显;对于阶梯峰值应力和震荡峰值应力,发现加载历史对于NiTi形状记忆合金塑性行为有显著影响。相较于恒定峰值应力,非恒定峰值应力可以引起更明显的NiTi形状记忆合金的超弹性劣化。     

Ti-Ni-V形状记忆合金超弹性研究

采用拉伸和应力-应变循环实验研究了退火温度、时效温度、时效时间、形变温度和应力-应变循环对Ti-50.8Ni-0.5V(原子分数,%)形状记忆合金超弹性(SE)的影响。随退火温度的升高,合金的应力诱发马氏体临界应力(σM)先减小后增大,超弹性残留应变(εR)先增大后减小再增大,为了获得优异的室温SE,退火温度应取500~600℃。随时效温度的升高,合金的σM降低,εR增加,SE变差;随时效时间延长,300℃时效态合金的SE稳定,400和500℃时效态合金的SE变差。随形变温度的升高,σM增加,SE改善。随循环次数增加,400℃退火态合金的SE稳定;500℃退火态合金的σM降低;600℃退火态合金的SE由非线性向线性转变。     

NiTi形状记忆和超弹性合金在应用制品中的推广

随着实用化和加工技术的进步,性能优良的NiTi合金的需要量急剧增长.NiTi合金有两个特殊性能,即形状记忆和超弹性性能.通过改变合金中镍与钛的配比,可使其性能产生较大的变化,以适应不同用途的使用要求.添加第三元素(铜或铌)可以提高NiTi合金的使用性能.目前,Ti—CU和Ni—Ti—Nb等三元合金都已实用化.NiTi合金的形状记忆效应通常为单向的,即在低温马氏体状态下变形,升高温度后合金中产生相变,品体结构由马氏作相变为母相,同时回复到变形前的形态.要得到     

超弹性NiTi合金相变棘轮行为的实验研究

超弹性NiTi合金在应力控制循环载荷下会产生峰值应变和谷值应变的循环累积--相变棘轮行为.室温实验表明,峰值应变和谷值应变的演化规律与加载应力水平和加载波形密切相关;同时,在循环加载过程中,随着循环周次的增加,奥氏体名义弹性模量减小,马氏体名义弹性模量增大,奥氏体向马氏体转变的名义开始应力下降,耗散能降低,并在一定的循环次数下趋于一个稳定值.研究得到了一些有助于后续建立超弹性循环本构模型的结论.     

超弹性NiTi合金丝激光点焊接头的组织和性能

采用脉冲激光焊研究了Ti-50.6%Ni(摩尔分数)合金细丝点焊,对比分析了接头与母材显微组织、相变行为、Ni含量、显微硬度及应力-应变曲线的变化.结果表明:当NiTi合金用做功能材料时,激光焊接是可取的;激光点焊接头熔化区由树枝晶组成,热影响区靠近熔池部分为粗大等轴晶,靠近母材部分为细小等轴晶;激光焊会造成Ni的蒸发,使接头中Ni含量降低0.2%(摩尔分数),从而影响接头的相变行为;接头抗拉强度可达母材的70%,可恢复应变达母材的92%.     

梯度孔隙率与大孔隙尺寸NiTi形状记忆合金的制备及其相变和超弹性行为

利用低温分解型造孔剂与梯级热等静压烧结和常规烧结的匹配工艺成功制备出了梯度孔隙率与大孔隙尺寸多孔NiTi形状记忆合金.多孔合金的孔隙率为30%-61%,孔隙平均尺寸可根据不同预处理工艺在50-500 μm之间变化,且具有较高的开孔率(最高可达85%).所制备的径向梯度孔隙率多孔NiTi合金具有良好的力学性能,线性超弹性应变大于4%;热分析和XRD分析表明,所制备的多孔合金呈现明显的马氏体转变和逆转变特征,相变特征温度随孔隙率的提高而降低.     

NiTi形状记忆合金高温变形神经网络研究

在Gleeble-1500热模拟机上进行热变形压缩试验,获得了NiTi形状记忆合金在不同应变速率和温度下的真应力-真应变实验数据及微观组织,根据实验数据基于BP神经网络建立模型对NiTi合金的高温变形进行预测。结果表明:随着应变速率的增加,TiNi合金的软化特性变得明显,模型的预测值与试验值误差较小,且预测精度和可靠度高。