碳含量对Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｉ－Ｃｒ－Ｎｉ合金形状记忆效应的影响李宁，文玉华（四川联合大学，成 都６１００６５）摘要研究了联合量对Ｆｅ－１４Ｍｎ－５Ｓｉ－８Ｃｒ－４Ｎｉ合金形状记忆效 应（ＳＭＥ）的影响。结果表明，当碳含量小于０．１２％时，随着碳含量的增加，ＳＭＥ得到改 善。大于０．１２％时，则相反。随着变形量的增加合金的ＳＭＥ都变差，尤其以不含碳的合金更 为明显。主题词Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｉ合金，形状记忆效应（ＳＭＥ），形状记忆合金（ＳＭＡ）Ｉｎ ｆｌｕｅｎｃｅｏｆＣａｒｂｏｎＣｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＥｆｆｅｃ ｔｏｆＦｅ－Ｍｎ－Ｓｉ－Ｃｒ－ＮｉＡｌｌｏｙｓ￥ＬｉＮｉｎｇ；ＷｅｎＹｕｋｕａ（Ｓｉｃ ｈｕａｎＵｎｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６ｖ５，ＰＲＣ）Ａｂｓｔ ｒａｃｔ：ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅＳＭＥＤｆＦ ｅ－１４Ｍｎ－５Ｓｉ－８Ｃｒ－４Ｎｉａｌｌｏｙｓｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒ ｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＳＭＥｉｍｐｒｏｖｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃａｒｂ ｏｎｃｏｎｔｅｎｔｗｈｅｎｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．１２％，ｉ ｔｉｓｏｐｐｏｓｉｔｅｗｈｅｎｂｉｇｇｅｒｔｈａｎ０．１２％．ＳＭＥｏｆｔｈｅａｌｌｏ ｙｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｗｉｔｈｏｕｔｃａｒｂｏｎ，ｄｅｔｅｒｉ ｏｒａｔｅｓｗｈｅｎｐｒｅ－ｓｔｒａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｓ．０引言Ｆｅ基形状记忆合金原 材料便宜，生产加工容易，成本仅为Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金的１／２０左右。且用它来制作管接 头、夹具、安全装置等一次性使用的元件，不必进行低温变形（如扩管）处理和低温贮藏，为现场 施工带来很大方便。但Ｆｅ基形状记忆合金（ＳＭＡ）起步较晚，与现有的有色系ＳＭＡ相比，特 性尚不完善，有大量的课题需要进一步研究。从经济角度来看，人们普遍对它抱有希望。从生产角 度看，可利用钢厂普通钢或不锈钢的生产设备批量生产Ｆｅ基ＳＭＡ连接件。使用时用专门装置加 热即可在短时间内完成连接作业。Ｆｅ基形状记忆合金中Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｔ－Ｃｒ－Ｎｉ系合金除 具有较好的形状记忆性能，合金强度高，塑性好，容易加工，可以焊接，价格低廉等优点外，还具 有很好的耐腐蚀性能，因此近年来受到国内外研究者的特别关注［‘－‘ｊ。但是该系合金可恢复 的最大形变量不是很高．约２％～３％，阻碍了合金在工程上的应用。该系合金的形状记忆性能是 基于应力诱发。马氏体可逆转变。在形变过程中应力诱发。马氏体的难易和永久变形一塑性变形引 人的多少是影响合金记忆性能的重要因素。增加奥氏体基体的强度，减少形成。马氏体的临界应力 都有助于抑制塑性变形的产生，有利于ＳＭＥ的改善。本文试图通过加入间隙原子碳来达到此目的 ，这方面的研究未见报道。研究结果表明，当碳含量低于０．１２％时，碳的加入有助于ＳＭＥ的 改善。１实验材料及方法用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨为原料在ＺＧ－２ ５Ａ真空感应炉内熔炼。铸锭经１１００ＣＸ１５ｈ均匀化退火，１１００Ｃ热锻成ｏ１５ｍｍ的 圆棒，再经３次旋锤成／３．ｓｍｍ的丝，最后冷拉成必１．ｓｍｍ的丝。电阻测量采用ＱＪ－４ ４型双臂电桥，从电阻温度曲线上定出相变温度。合金的化学成分和相变温度见表１。测定形状恢 复率ｎ的试样为必１．ｓｍｍ的丝，经校直后在１１００Ｃ约束条件下加热３０ｍｉｎ，水淬。变 形采用弯曲方式，形变量由。一ｄ／ＺＲ计算。其中ｄ为丝的直径，Ｒ为模具曲率半径。在室温条 件下自制模具上均匀弯曲１８０Ｃ后御载，试样残余角为００（约１４０～１５０”），将弯曲试 样加热到３５０Ｃ，相应的弯曲残余角记为６Ｔ（约２０～４０”），见图１。则形状恢复率可表 示为：Ｖ一（６一６．）／６ｏＸ１００％２实验结果及分析２．１不同应变量下碳含量对形状恢 复率ｎ的影响表１会金的化学成分和相变温度ＩＹｌｌ形状恢复率测定用弯曲试验示意ｌｔｌ表２ 、图２给出了三种合金室温下形变量。与形状恢复率ｎ的关系。表２
变形量。与形状恢复率。之间 的关系图２变形量对ＳＭＥ的影响由图可见，随着形变量的提高，三种合金的形状恢复率呈直线下 降的趋势，且不含碳的广合金下降速度大于含碳的２“、３”合金。在变形量＜３．７５％时，随 着碳含量的提高，合金的形状记忆效应变坏，在变形量为３．７５％～７．５％之间（一般工程应 用的变形量范围），２”合金（含碳为０．１２％）具有最好的形状记忆效应，１＃合金不含碳次 之，３“合金（含碳为０．１８％）最差。可见Ｆｅ．Ｍｎ．Ｓｔ．Ｃｒ－Ｎｉ合金的碳含量存在 一个临界点。当碳含量小于临界点时，形状记忆效应随着碳含量的增加而增加；高于此点，形状记 忆效应将变坏。本试验表明，碳含量在０．ＩＷｔ％左右时，形状记忆效应最好。试样总的应变量 。由塑性应变。。和可恢复应变。ｒ两部分组成。形状恢复率可表示为：二种合金在不同应变量下 产生的。ｒ一个，。。＝。一。ｒ，其大小见图３。可见随着总的应变量。的增加，。。、。ｒ（ 广除外）都呈现线性增加。但由于位错滑移引起的塑性变形。。增加的速度大于由马氏体转变而承 担的变形量。ｒ，由ｎ的计算公式可知，随着总的应变量。的增加，ｎ将减小。这就是三种合金随 着形变量的增加，其形状恢复率子｝降趋势的原因。图３总应变量时塑性变量和可恢复应变量的影 响２．２应力诱发马氏体数量及基体固溶强化对ＳＭＥ的影响如前所述，形状记忆效应在很大程度 ｋ取决于应力诱发。马氏体的难易程度和塑性变形引入的多少。在接近Ｍｓ点附近变形时，容易诱 发马氏体。增加奥氏体基体的强度可抑制变形过程中塑性变形的引入。在应变量较小时，引入的塑 性应变。。较少，此时形状恢复率ｎ主要取决于应力诱发。马氏体数量的多少。同样变形量下，广 合金的Ｍｓ点（３０３Ｋ）最接近变形温度（室温），应力诱发马氏体的数量最多，因而其形状记 忆效应最好。由于碳是显著降低Ｍｓ点的元素，所以３”合金应力诱发。马氏体的数量最少，形状 记忆效应最差。这就是前述的在应变量小于３．７５％时，随着合碳量的提高，合金的形状记忆效 应变坏的原因。当应变量增加，引人的塑性应变也将增加，形状记忆效应是。。、。ｒ共同作用的 综合效果。奥氏体基体的强化有利于抑制变形过程中塑性应变的产生。间隙原子碳可固溶于奥氏体 中起固溶强化的作用。Ｓａｔｏ等人报道加人１％的碳可将奥氏体基体室温下的强度提高１３０Ｍ Ｐａ［‘］。因而在三种合金中，３“合金的强度最高，广合金最低，所以在变形过程中，广合金 更易引入塑性变形，这就是图３中，随着总应变量的增加，广合金产生的塑性变形应变量。。上升 的速度快于２”、３”合金的原因。当变形量大５％后，广合金中的可恢复应变。。达到饱和，这 也是由于其强度低，塑性变形容易，增加的变形量完全由塑性变形承担所致。由图２可知，尽管３ ”合金的强度最高，但其形状记忆效应并不是最好。这是由于其Ｍｓ点最低，在相同变形条件下， 其产生的应力诱发。马氏体量少所致。因而只有当合金的强度和Ｍｓ点的匹配达到最佳时，合金才 具有最好的形状记忆效应。３应用目前，形状记忆合金ｃ广泛用于航空航天、机械工程、军事、服 装纺织和日常生活等领域中。由于Ｆｅ－Ｍｎ－ｓｔ～Ｃｒ－Ｎｉ系合金的相变滞后大，所以特别 适用于机械．－－Ｉ：程中的连接件及紧固件，特别是管接头；同时Ｃｒ、Ｎｉ元素的加入，提高 了该合金的耐蚀性能，拓宽了其应用范围。本文结果说明，可将该系合金的碳含量提高到０．卫％ 左右，形状记忆效应不仅不影响反而有所改善，这为非真空感应电炉熔炼提供了方便，同时也可降 低炉料成本，这都有利于该系合金的推广应用。４结论４．１在Ｆｅ－１４Ｍｎ－ＳＳｉ－ＳＣｒ －４Ｎｉ合金中，碳含量低于０．１２％时，随着碳含量的增加，形状记忆效应增加。高于０、１ ２％时，则相反。４．２该合金随着变形量的增加，形状恢复率随之下降。但合金中含０．１２％ ～０．１８％的碳时，下降速度趋缓。４．３在保证Ｆｅ－１４Ｍｎ－ＳＳｉ－ＳＣｒ－４Ｎｉ合 金获得最好的形状记忆效应的前提下，可允许碳含量达０．１％左右。这为非真空感应电炉冶炼提 供了方便，同时也可降低炉料成本，有利于该合金的推广应用。参考文献｜｜１ＩｎａｇａｋｉＨ ．Ｚ．Ｍｅｔａｌｌｋｄｅ，１９９２，８３：９０￣１０４，３０４￣３０９２Ｏｈｔｓｕｋａ Ｈ，ＫａｊｉｗａｒａＳ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈａｒｅｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，１９９４， ３２：２２９～２３５３Ｋｉｋｕａｋｉ，Ｔｏｓｈｉｍｉｔｓｕ．Ｚ．Ｍｅｔａｌｌｋｄｅ，１ ９９４，８５：１２２￣１２６４ＴｓｕｚａｋｉＫ，ＮａｔｓａｍｅＹ．ＳｃｒｉｐｔａＭｅｔ ａｌｓ．１９９２，２７：４７１～４７３５徐祖耀．上海金属，１９９３，１５（３）：１～７ ；１５（５）：１～８６刘汉强．机械工程材料，１９９３（４）：４６～４８碳含量对Fe－M n－Si－Cr－Ni合金形状记忆效应的影响@李宁，文玉华$四川联合大学Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｉ 合金，形状记忆效应（ＳＭＥ），形状记忆合金（ＳＭＡ）研究了联合量对Ｆｅ－１４Ｍｎ－５Ｓ ｉ－８Ｃｒ－４Ｎｉ合金形状记忆效应（ＳＭＥ）的影响。结果表明，当碳含量小于０．１２％时 ，随着碳含量的增加，ＳＭＥ得到改善。大于０．１２％时，则相反。随着变形量的增加合金的Ｓ ＭＥ都变差，尤其以不含碳的合金更为明显。１ＩｎａｇａｋｉＨ．Ｚ．Ｍｅｔａｌｌｋｄｅ，１ ９９２，８３：９０￣１０４，３０４￣３０９２ＯｈｔｓｕｋａＨ，ＫａｊｉｗａｒａＳ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈａｒｅｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，１９９４，３２：２２９～２３５３Ｋｉｋｕａｋｉ，Ｔｏｓｈｉｍｉｔｓｕ．Ｚ．Ｍｅｔａｌｌｋｄｅ，１９９４，８５：１２２￣１２６４ＴｓｕｚａｋｉＫ，ＮａｔｓａｍｅＹ．ＳｃｒｉｐｔａＭｅｔａｌｓ．１９９２，２７：４７
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