NiTi合金板材与管材的显微组织结构及相关力学性能研究

摘要

NiTi合金的超弹性及其形状记忆效应自1962年被发现以来就在工业、生物医学、军事等各个方面有着非常广泛的应用。约90％NiTi合金的应用得益于其’优异的超弹性。由于NiTi合金宏观力学性能与显微结构之间有着十分密切的联系，因此研究NiTi合金体材料的显微组织结构及力学性能的相关性，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本论文利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)中的背散射电子衍射(EBSD)技术、X射线衍射(XRD)和MTS力学实验机等研究了NiTi合金显微组织结构及相关力学性能中的一些科学问题。它们包括：(1)NiTi合金板材时效再结晶行为及相关力学性能；(2)拔制无缝NiTi超弹性管材的显微组织结构及其随热机械处理变化的规律性；(3)NiTi心血管支架拉压应变下应力诱发马氏体相变的原位EBSD研究。 为了研究NiTi合金超弹性的起源问题，本文首先利用TEM研究了不同温度时效对NiTi合金冷轧板材样品显微组织结构的影响。结论如下：(1)对于NiTi冷轧板材样品中的形变带，通过对样品法向(ND)、截面方向(TD)和拔制(RD)三个方向的研究，本文给出了形变带的分布方式及三维立体结构模型：形变带为平行片状分布，宽度约300nm，厚度约100nm左右，晶体学结构为{011}<111>或{112}<111>的之字阶梯状结构。(2)随着时效温度的升高，冷轧样品中的高密度位错板条(形变带)开始再结晶，并于550℃时效30min后实现回复加再结晶复合结构。回复与再结晶复合结构为许多纳米尺度亚晶粒组成的条状晶粒结构或等轴晶结构。一个高角晶粒中含有十余个角度差为1-3度的亚晶粒。力学性能测试曲线也表明，NiTi合金在该温度下时效具有最好的超弹性。因此本文认为纳米尺度亚晶粒结构的存在及其相关的位错强应变场是NiTi合金展示优异超弹性的重要原因之一。 针对应用日益广泛的NiTi心血管支架的前期材料——具有超弹性的NiTi合金拔制无缝管材，本文研究了其显微组织结构及其织构随热机械处理发生的变化的规律。结果表明：NiTi超弹性管材在轴向的择优取向为(111)，径向为(121)和(101)两种择优取向平行间隔分布。并且随着NiTi管材直径的减小，轴向和径向的织构都在逐渐增强，织构方向会发生微小的转动。力学性能计算表明其沿轴向的表观杨氏模量要明显好于沿径向的表观杨氏模量，沿径向存在的两种不同织构对其沿径向的表观杨氏模量没有影响。最后，本文利用近十年发展起来的EBSD技术原位研究了NiTi心血管支架在拉压应变下的马氏体相变，结果表明： NiTi心血管支架在应力状态下内部应变场会体现出非均匀性，由于应变状态(拉/压应变)的不同而导致应力分布和应力诱发马氏体相变的非对称性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1NiTi合金的发展应用背景

1.2NiTi合金的特性

1.2.1NiTi合金的形状记忆效应

1.2.2NiTi合金的超弹性

1.3NiTi合金的研究现状

1.3.1NiTi合金中相的确定

1.3.2NiTi合金中马氏体相变的研究

1.3.3NiTi合金的力学性能研究

1.4本课题的主要研究内容

1.5课题来源

第2章基本概念及实验方法

2.1基本概念

2.1.1弹性变形

2.1.2塑性变形

2.1.3回复和再结晶

2.2样品制备

2.3使用仪器

2.3.1扫描电子显微镜

2.3.2透射电子显微镜

2.3.3X射线衍射

2.3.4力学性能测试

第3章NiTi合金的TEM研究及其再结晶行为

3.1研究目的及意义

3.2NiTi板材的TEM研究

3.2.1 NiTi冷轧板材的TEM研究

3.2.2随着时效温度升高形变带的演变

3.3 NiTi管材的TEM研究

3.4再结晶模型的提出和超弹性机理的研究

3.5小结

第4章NiTi管材及心血管支架的研究

4.1研究目的及意义

4.3 NiTi管材的EBSD研究

4.2 NiTi心血管支架的EBSD研究

4.4应力应变下的NiTi心血管支架的原位EBSD研究

4.5小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

附录