NiTiv形状记忆合金在驱动元件上的应用性研究

摘要

NiTi形状记忆合金以其独特的形状记忆效应和良好的综合性能,在诸多领域得到了广泛的应用。但经研究发现,NiTi形状记忆合金优越的性能强烈依赖于其成份、热处理方式及其杂质含量,故对制备和热处理方式要求非常严格,成本相对较高,这已经成为制约其进一步发展应用的因素之一。因此,本课题研究了经氧化钙坩埚和石墨坩埚熔炼后,坩埚材质对NiTiV形状记忆合金的成分与性能的影响；中温时效处理对合金相变点的影响；在不同温度场下的TiNiV形状记忆螺旋弹簧的设计。这些将为该合金的生产运用提供一定的理论依据,具有重要的理论价值与实际意义。
　　 本文采用真空感应熔炼的方法,在工业条件下,分别用CaO坩埚和石墨坩埚,对一定配比的电解镍、海绵钛和回炉料进行对比研究。详细研究了NiTiV形状记忆合金工业熔炼后的成分、相变行为、形状记忆效应及超弹性,分析了其性能变化的因为。研究结果表明:
　　 1、采用石墨坩埚熔炼后合金中杂质元素主要是C、O的增加。
　　 2、采用CaO坩埚熔炼后合金中的C含量与石墨坩埚熔炼的相比有所下降,但会使合金增O,同时引入新杂质元素Ca,这对NiTiV形状记忆合金是非常不利。
　　 3、通过拉伸力-变形量曲线的分析表明,采用石墨坩埚制得的合金的超弹性优于采用氧化钙坩埚制得的合金的超弹性。
　　 4、根据晶体学表象理论分析及弯曲变形法试验测得的结果表明,采用氧化钙坩埚制得的合金试样的记忆效应要优于采用石墨坩埚制得的合金试样的记忆效应。
　　 NiTiV合金在炉内温度为780～880℃下,热处理炉子里面焖火6小时左右之后进行锻造,锻成一根截面40mm×40mm的方形棒料；NiTiV合金在炉内温度为780～880℃下,热处理炉子里面焖火6小时左右之后进行热轧,热轧成一根φ8.5mm圆形棒料；合金热轧后,产生的大量晶体缺陷会抑制了马氏体相变形成,合金表现出复杂的相变行为,相变温度降低且相变温度区间变宽,形状记忆效应下降；合金在凝固过程中O元素有聚集于铸锭边缘的趋势,通过对合金的“拔皮”处理,可以有效的降低合金中O含量。
　　 通过差示扫描量热(DSC)试验和金相组织照片的观察,研究了在一定量的预变形条件下,中温时效处理对TiNV形状记忆合金的DSC曲线以及相变点的影响。研究发现:中温时效热处理能显著提高马氏体相变温度,使得相变更容易进行,在460℃时效处理时,相变点As、Af最高。在400℃时效处理条件下,保温时间越长,Ms、Mf温度降低越明显。从DSC曲线中可知,在加热过程中只产生了B19’相(M)→B2相(P)转变,冷却过程中也只发生了B2相(P)→B19’相(M)转变,没有发现R相的产生。实验中记录下来的不同中温时效处理温度、不同保温时间下的TiNiV形状记忆合金的各个相变点,为我们确定相应生产工艺提供了参考依据。
　　 通过对450℃和500℃时效处理后的TiNiV合金弹簧的τ-γ曲线的测量,为TiNiV记忆合金弹簧的设计提供了依据:
　　 1、采用图解法我们设计了经450℃时效处理后的TiNiV合金弹簧,其工作环境为:高温载荷20N,输出行程δ=10mm,温差30℃(24℃～55℃)。弹簧设计尺寸为:d=2.36mm,D=14.16mm,n=19,螺距2.67mm,于此匹配的偏压弹簧的弹性系数K=0.91。
　　 2、经500℃时效处理后的TiNiV合金弹簧,工作环境是:高温载荷20N,输出行程δ=10mm,温差40℃(20℃～60℃)。弹簧尺寸为:d=2.6mm,D=15.6mm,n=17,螺距为2.94mm,匹配的偏压弹簧的弹性系数K=0.51。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 NiTi形状记忆合金

1.2 形状记忆合金的记忆效应和超弹性

1.2.1 形状记忆效应

1.2.2 形状记忆合金的超弹性

1.3 影响形状记忆合金的主要因素

1.4 NiTi形状记忆合金的相组成及热循环中的马氏体相变

1.5 NiTi形状记忆合金的制备

1.6 记忆合金驱动器

1.6.1 解锁机构

1.6.2 SMA弹簧驱动器

1.7 NiTi形状记忆合金的应用

1.8 试验研究目的

1.8.1 课题提出的理论依据

1.8.2 主要研究内容

第二章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 合金真空熔炼

2.3 合金的锻造

2.4 合金的轧制

2.5 热处理

2.5.1 熔炼后试样的的热处理

2.5.2 试样的中温时效处理

2.6 成分的测定

2.7 显微形貌分析

2.8 差示扫描量热(DSC)实验

2.9 拉伸试验

2.10 形状记忆效应测定

2.11 形状记忆合金弹簧不同温度下的P-δ曲线的测定

第三章 坩埚材质对合金性能的影响

3.1 前言

3.2 合金的制备

3.3 坩埚材质对合金成分的影响

3.4 坩埚材质对合金形状记忆效应及超弹性的的影响

3.4.1 X射线衍射分析

3.4.2 不同材质坩埚对NiTi超弹性的影响

3.4.3 不同材质坩埚对NiTi记忆性能的影响

3.5 本章小节

第四章 锻造和热轧对合金相变的影响

4.1 前言

4.2 合金的锻造

4.3 合金的热轧

4.4 热轧对合金相变行为的影响

4.5 合金的“拔皮”

4.6 本章小节

第五章 时效处理对TiNiV形状记忆合金的相变影响

5.1 前言

5.2 TLNi形状记忆合金的相变

5.3 中温时效处理对TiNiV形状记忆合金相变的影响

5.3.1 中温时效处理温度对TiNiV形状记忆合金相变的影响

5.3.2 时效处理时间对TiNiV形状记忆合金相变的影响

5.4 热处理后的金相组织

5.5 本章试验结论

第六章 形状记忆合金螺旋弹簧的设计

6.1 前言

6.2 弹簧设计的基础

6.3 NiTiV弹簧P-δ的制作

6.4 TiNiV弹簧的τ-γ曲线

6.5 TiNiV形状记忆弹簧的设计

6.5.1 经450℃时效处理后TiNiV形状记忆合金弹簧的设计

6.5.2 500℃时效处理的TiNi形状记忆合金弹簧的设计

6.6 TiNi形状记忆弹簧的设计

6.7 NiTi合金使用时的连接方式

6.7.1 镍钛合金的热连接

6.7.2 镍钛合金的冷连接

6.8 本章小节

第七章 结论

展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文