镍钛铁形状记忆合金平面应变塑性变形机理及微观结构演变研究

摘要

镍钛形状记忆合金因其优良的形状记忆效应和超弹性被广泛应用于各种工程领域。镍钛形状记忆合金的力学性能和相变行为对元素成分敏感，在合金中加入其它元素形成的新型镍钛基形状记忆合金已经成为形状记忆合金领域的研究热点。其中，镍钛铁形状记忆合金因其优良的力学性能、较低的马氏体相变温度和高温奥氏体稳定性，作为紧固件和密封件的首选材料被广泛应用于航空航天领域。在二元镍钛形状记忆合金中加入铁原子替代镍原子的位置能够提高奥氏体的稳定性，抑制马氏体相变，从而降低马氏体转变温度。随着科学技术的发展，人们对形状记忆合金应用的要求越来越多样化，在三元镍钛基形状记忆合金中加入第四种合金元素来改变形状记忆合金的相变行为和力学性能逐渐成为新兴的研究热点。本文基于镍钛铁形状记忆合金研究第四元合金元素对镍钛基形状记忆合金微观组织、相变行为和力学性能的影响。塑性加工一直是镍钛基形状记忆合金的重要成形手段，冷加工变形以及塑性变形后的热处理过程能够改善形状记忆合金的力学性能，改变形状记忆合金的微观组织和相变行为。平面应变变形是塑性加工中一种常见的力学状态，被广泛的应用于金属流动和组织演变的研究。本文通过等通道压缩模型准确的实现镍钛铁形状记忆合金的平面应变大塑性变形，并对变形后的试样分别进行回复和再结晶退火处理，结合晶体塑性有限元法(CPFEM)、透射电子显微镜技术(TEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)和差式扫描量热法(DSC)，研究不同平面应变变形量和热处理过程对镍钛铁形状记忆合金微观组织、变形织构和相变行为的影响，揭示了镍钛铁形状记忆合金平面应变塑性变形机理，为镍钛铁形状记忆合金塑性加工成形提供科学理论基础。本课题具体研究成果如下。
　　镍钛铁形状记忆合金的相变行为和力学性能对元素成分敏感，本文在镍钛铁形状记忆合金的基础上分别加入钽元素和铌元素研究第四元合金元素的加入对镍钛铁形状记忆合金性能的影响。实验结果表明在镍钛铁形状记忆合金中添加钽元素和铌元素能够显著提高合金的屈服强度和极限强度，同时也会降低合金的塑性。钽和铌元素的添加不会改变镍钛铁形状记忆合金的相变路径，但是会影响其相变温度。
　　平面应变压缩变形后的透射实验结果表明，在平面应变压缩变形量为10％和30％时，基体中都出现了应变诱发马氏体;在变形量为30％和50％时，基体中出现了纳米晶相;在变形量为50％时，基体中出现了大块的非晶相。结合TEM和EBSD结果可知，晶粒细化是导致变形基体中出现纳米晶和非晶相的主要原因，亚晶界和晶界的形成是晶粒细化的重要机制。基于镍钛铁形状记忆合金平面应变压缩变形后不同的微观组织，提出了相应的再结晶机制，并研究不同变形量对再结晶微观组织的影响。镍钛铁形状记忆合金的相变行为和相变温度对奥氏体晶粒尺寸十分敏感。DSC实验结果表明，微观组织和晶粒尺寸分布对镍钛铁形状记忆合金的相变行为和相变温度具有十分重要的影响。
　　晶体塑性本构理论与有限元法的结合使晶体塑性模型得到了更广泛的应用，多晶体有限元模型的建立是实现晶体塑性有限元模拟的基础。研究表明，微观组织晶粒尺寸分布对晶体塑性有限元的模拟结果有非常大的影响。因此，建立真实反映微观组织形貌的多晶体有限元模型对预测材料的变形行为变得非常重要。本文在相关研究的基础上，分别实现了基于Voronoi图形结构和EBSD数据建立二维和三维多晶体有限元模型，并详细对比了不同多晶体有限元模型对模拟结果的影响，保障了模拟结果的精确性。
　　本文对镍钛铁形状记忆合金单轴压缩变形和平面应变压缩变形进行了晶体塑性有限元模拟，并将模拟结果与实验结果相对比，获得了较好的一致性。镍钛铁形状记忆合金在单轴压缩变形时，多晶体变形织构主要为γ纤维织构，<111>晶向平行于ND方向，变形中主要启动的滑移系为<100>/{110}。镍钛铁形状记忆合金在平面应变压缩变形时，多晶体变形织构主要包含α纤维织构和γ纤维织构，<110>晶向平行于RD，<111>和<001>晶向平行于ND方向，变形中主要启动的滑移系<100>/{110}和<111>/{110}。本文基于晶体塑性有限元模拟结果，建立晶粒在变形过程中转动角的分布和晶粒初始取向的关系，结合塑性变形过程中不同滑移系的启动比例，揭示了变形织构的演化过程和形成机理。对单轴压缩变形和平面应变压缩变形后多晶体有限元模型中的晶粒内和晶粒间的应力应变不均匀性进行了定量分析，结果表明平面应变压缩变形过程中的不同晶体学取向引发的变形各向异性更加严重。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2镍钛形状记忆合金研究现状

1．2．1镍钛形状记忆合金的晶体结构

1．2．2镍钛形状记忆合金的相变行为

1．3镍钛铁形状记忆合金研究现状

1．3．1镍钛铁形状记忆合金加工方法

1．3．2镍钛铁形状记忆合金的相变行为

1．3．3镍钛铁形状记·I’乙合金的力学行为

1．4平面应变压缩塑形变形研究现状

1．5晶体塑性模型的研究现状

1．5．1连续多晶体模型的研究

1．5．2晶体塑性有限元法的研究

1．5．3镍钛基形状记忆合金晶体塑·陛有限元的研究

1．6课题研究意义和研究内容

2．1合金的制备

2．2压缩实验

2．2．1单轴压缩实验

2．2．2平面应变压缩实验

2．3显微组织分析

2．3．1金相分析

2．3．2透射实验分析

2．3．3 EBSD实验分析

2．4物相分析

2．5相变分析

2．6本章小结

第3章铌元素和钽元素的添加对镍钛铁形状记忆合金的影响

3．1引言

3．2镍钛基形状记忆合金微观结构

3．3镍钛基形状记忆合金力学性能

3．4镍钛基形状记忆合金相变行为

3．5本章小结

第4章镍钛铁形状记忆合金平面应变压缩塑性变形机理

4．1引言

4．2初始镍钛铁形状记忆合金的微观结构

4．3镍钛铁形状记忆合金平面应变压缩微观组织演化

4．4平面应变压缩镍钛铁形状记忆合金静态回复机制

4．4．1基于EBSD的微观结构分析

4．4．2相变行为分析

4．5平面应变压缩镍钛铁形状记忆合金静态再结晶机制

4．5．1静态再结晶机制

4．5．2基于EBSD的微观结构分析

4．5．3相变行为分析

4．6本章小结

第5章晶体塑性力学本构理论基础

5．1引言

5．2晶体学取向与多晶体织构理论基础

5．2．1取向矩阵表示法

5．2．2欧拉角表示法

5．2．3旋转轴／角表示法

5．2．4多晶体织构表示方法

5．3有限变形运动学

5．3．1变形梯度

5．3．2变形运动学

5．4多晶体有限变形运动学

5．4．1多晶体有限变形运动学模型

5．4．2晶格旋转模型

5．4．3应力度量和客观应力率

5．5晶体塑性本构关系及硬化模型

5．5．1晶体塑性本构关系

5．5．2流变法则及硬化模型

5．6晶体塑性有限元算法及程序调用过程

5．6．1晶体塑性有限元算法

5．6．2晶体塑性有限元算法在ABAQUS中的实现

5．7本章小结

第6章晶体塑性有限元建模

6．1基于Voronoi图的多晶体结构的实现

6．1．1 Voronoi图概述与定义

6．1．2 ABAQUS脚本接口简介

6．1．3基于ABAQUS脚本建立Voronoi多晶模型

6．1．4基于INP输入文件建立的Voronoi多晶模型

6．1．5参数控制Voronoi图多晶模型的晶粒尺寸分布

6．2基于EBSD数据建立多晶模型

6．2．1基于EBSD数据建立二维多晶模型

6．2．2基于EBSD数据建立三维多晶模型

6．3本章小结

第7章镍钛铁形状记忆合金压缩变形晶体塑性有限元模拟

7．1镍钛铁形状记忆合金单轴压缩变形晶体塑性有限元模拟

7．1．1单轴压缩变形晶体塑性有限元模型

7．1．2材料参数的拟合与滑移系的选择

7．1．3材料属性的赋予

7．1．4模拟结果分析

7．2镍钛铁形状记忆合金平面应变压缩变形晶体塑性有限元模拟

7．2．1平面应变压缩变形边界条件

7．2．2平面应变压缩变形多晶体有限元模型

7．2．3模拟结果分析

7．3本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢