NiTiCu形状记忆合金平面应变压缩塑性变形机理研究

摘要

镍钛基形状记忆合金具有优良的形状记忆效应、超弹性、耐蚀性、生物相容性和力学性能，因而在生物医学和航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。塑性加工是使镍钛基形状记忆合金走向工程应用的重要环节，因为一些重要的镍钛基形状记忆合金制品都需要从塑性成形的线材、棒材、带材、板材和管材而获得，而且一些重要的镍钛基形状记忆合金器件也需要塑性加工成形。然而，镍钛基形状记忆合金通常在室温下具有较强的加工硬化能力，因而需要在高温下成形。因此，探索镍钛基形状记忆合金高温塑性变形行为，揭示镍钛基形状记忆合金高温塑性变形机制，具有重要的科学意义。本论文以热轧NiTiCu形状记忆合金棒为研究对象，基于多种实验手段，结合有限元模拟技术，深入研究了NiTiCu形状记忆合金的高温塑性变形机理及平面应变塑性变形规律，具体研究工作及成果如下。
　　基于差示扫描量热实验（DSC）、透射电子显微实验（TEM）、金相显微实验（OM）、X射线衍射实验（XRD），对原始轧制 NiTiCu形状记忆合金棒的相变行为和微观结构进行了表征。结果表明， NiTiCu形状记忆合金相变温度为Ms=53.8℃，Mf=8.3℃，As=73.1℃，Af=113.5℃，在室温下主要为B19′马氏体，含有少量的Ti2Ni相，而且B19′马氏体相具有针状形貌。
　　基于 NiTiCu形状记忆合金在温度范围为600~1000℃、应变速率范围为0.0005~0.5s-1的热压缩实验，获得了NiTiCu形状记忆合金高温塑性变形真应力真应变曲线。从真应力真应变曲线可以发现，NiTiCu形状记忆合金在高温条件下属于应变速率敏感性材料，即应力随着应变速率的增加而增加。根据 NiTiCu形状记忆合金高温塑性变形真应力真应变曲线，构建了NiTiCu形状记忆合金基于Arrhenius型的高温本构方程。
　　为了研究NiTiCu形状记忆合金的热加工性，优化其热加工工艺参数，基于动态材料模型，根据NiTiCu形状记忆合金高温塑性变形流动应力，构建了NiTiCu形状记忆合金的热加工图。根据NiTiCu形状记忆合金的热加工图，发现NiTiCu形状记忆合金的塑性流动失稳区主要发生在高应变速率区，失稳区的范围随着应变值的增加而扩大。根据热加工图和显微组织观察结果，发现NiTiCu形状记忆合金最佳加工温度范围为750-850℃，应变速率应该控制在较低水平。
　　基于NiTiCu形状记忆合金的Arrhenius型高温本构方程，采用刚粘塑性有限元法，利用DEFORM软件模拟了NiTiCu形状记忆合金在不同温度(700℃、800℃和900℃)和不同变形程度(20％、40%和60%)下的平面应变压缩塑性变形，揭示了NiTiCu形状记忆合金平面应变压缩塑性变形金属流动的基本规律。模拟结果表明，NiTiCu形状记忆合金平面应变压缩塑性变形时，中间主变形区处于三向压应力状态，而且应力状态随着中间主变形区向两方自由端逐渐发生变化，即沿着加载方向和约束方向仍为压应力，但沿着自由端方向逐渐转变为拉应力；在平面应变压缩试样的整个变形区内，沿着加载方向为压缩应变，沿着自由端方向为伸长应变。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2 NiTi基形状记忆合金概述

1.3 平面应变压缩基本原理

1.4 国内外研究现状及发展动态分析

1.5 选题意义及研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 压缩实验

2.2金相组织观察

2.3 X射线衍射试验

2.4 差示扫描量热试验

2.5 透射电镜观察

2.6 本章小结

第3章 NiTiCu合金塑性变形微观结构演变

3.1 NiTiCu合金原始试样微观结构及相变分析

3.2 NiTiCu合金压缩变形微观结构演化

3.3 本章小结

第4章 NiTiCu合金本构方程和热加工图的构建

4.1 NiTiCu合金的压缩应力应变曲线

4.2 NiTiCu合金本构方程的构建

4.3 NiTiCu合金热加工图的建立

4.4 本章小结

第5章 NiTiCu合金平面应变压缩有限元模拟

5.1 引言

5.2 有限元分析软件DEFORM概述

5.3刚粘塑性有限元法

5.4 平面应变压缩有限元模型的建立

5.5 平面应变压缩数值模拟过程分析

5.6 不同工艺参数对NiTiCu合金平面应变压缩过程的影响

5.7 本章小结

结论

参考文献

致谢