柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性疲劳力学行为及其机制研究

Ordinary polycrystalline Cu-based shape memory alloys are limited in widely used due to their low shape memory properties, poor fatigue property, and susceptible to intergranular cracking. Based on the perspective of microstructure design, columnar-grained Cu-Al-Mn shape memory alloy, with the characteristics of strong <001>-oriented texture and straight low-energy grain boundary, is prepared by unidirectional solidification. The superelastic strain of the columnar-grained Cu-Al-Mn alloy can reach above 10%, which is comparable with the single crystal counterpart. Because the columnar-grained Cu-Al-Mn alloy has to be repeatedly used under high strain (> 4%), it is of great significance on analyzing and researching its fatigue mechanical behavior and corresponding mechanism. This project focuses on the basic scientific problems of superelastic fatigue property evolution mechanism, fatigue mechanical behavior under cyclic loading, and the fatigue property improvement mechanism of the columnar-grained Cu-Al-Mn shape memory alloy. Through multi-scale (macroscopic mesoscopic & microscopic) analysis methods, this project in-depth researches the phase transformation and deformation of the columnar-grained Cu-Al-Mn alloy in the process of superelastic fatigue, and clarify the nature of columnar-grained structure significantly increased the material fatigue property. Thus, this project will establish the corresponding fatigue mechanical model, and then provide theory reference for further improving application prospect and designing application devices.

普通多晶组织Cu基形状记忆合金由于变形协调能力差，易发生晶间断裂而导致记忆性能和疲劳性能差，限制了合金的广泛应用。申请人从组织设计角度出发，采用定向凝固方法制备了具有轴向强<001>织构和平直低能晶界特征的柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金，合金的超弹性应变可达到10%以上，达到单晶合金水平。基于柱状晶Cu-Al-Mn合金在高应变（> 4%）下反复应用的需要，分析和研究合金的疲劳力学行为及其相关机制具有重要意义。本项目将围绕着柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金在超弹性循环过程中的疲劳性能演变机制、疲劳力学行为、疲劳性能提升机制等基础科学问题，通过采用宏观-介观-微观多尺度分析方法，深入研究合金在高应变下的超弹性疲劳中形变-相变行为和相关机理，阐明柱状晶组织合金的超弹性疲劳力学行为及疲劳性能提升的本质。并由此建立起相应的疲劳力学模型，为进一步提高合金的应用前景和开发设计应用器件提供理论参考。

形状记忆合金（SMA）是国家材料发展战略的关键材料之一，而短流程制备和低成本化、高疲劳性能、高稳定性、宽温域、梯度功能化等是SMA领域的研究热点和难点。本项目基于负责人长期开发高性能低价格SMA的研究基础，以柱状晶Cu-Al-Mn SMA为研究对象，围绕该合金在高应变（>4%）下超弹性循环中的疲劳力学行为和疲劳性能提升机制等科学问题进行研究。目前在完成了原计划全部研究内容基础上，进一步开展了时效控制对合金的超弹性和阻尼性能的控制研究以及梯度组织性能SMA的前期研究。现取得的主要研究成果如下： 1制备了具有强<001>织构和平直低能晶界的柱状晶Cu-Al-Mn SMA，具有10%以上的超弹性应变，在4~10%的拉伸加载应变下具有103次以上的功能疲劳寿命，且不发生结构疲劳失效。2、合金超弹性疲劳历程可分为四个阶段：平台变化、快速衰减前期、快速衰减后期、功能失效阶段。相比其他多晶合金，柱状晶合金具有较宽的性能稳定阶段（前两个阶段）。3、探明了合金超弹性和疲劳性能提升机理：强取向晶粒可在应变下同时发生马氏体相变，避免因高弹性各向异性在晶界处产生显著应力集中的问题；当沿<001>取向变形时，合金可获得高相变应变；平直低能晶界可显著降低晶界对相变的阻碍作用。4、合金的阻尼能力具有显著的循环疲劳效应，阻尼能力随残余应变率的变化曲线可分为三个明显阶段：较低的残余应变稳定阻尼阶段；快速增长的阻尼能力阶段；无应变阻尼的残余马氏体急剧累积阶段。5获得了高超弹性应变（5%~9%）、高强度（443~677MPa）、高阻尼性能（tanΦ=0.07~0.12）的时效工艺控制区间，探明了马氏体相界面与时效贝氏体相的钉扎和脱钉机制。提出了利用“高初始性能组织合金+控制时效处理”实现合金性能大范围可调的思路，以及形成了利用梯度时效处理进行合金组织梯度化制备的思路。本项目的完成为进一步提高该合金的应用前景和开发设计应用器件提供理论参考，同时丰富了高性能金属材料组织控制的基础理论，对于建立其他功能材料的组织设计理论乃至深化材料组织基因设计理论具有较重要的意义。