Ti-Ni-Nb-Co合金的马氏体相变与应变恢复特性

Wide transformation hysteresis can be obtained through proper excessive deformatioon for Ti-Ni-Nb alloys. The connector and fastener made of Ti-Ni-Nb alloys can be stored at room temperature and applied conveniently, which exhibits bright future in the application. However, the excessive deformation can deteriorate the strain recovery characterisitics. This becomes the obstacle the field of application with the requirement of high performation connection. In this project, the new idea, that Co addition improves the reverse transformtion characteristics of deformed excessively martensite at the prerequisite of wide transformation hysteresis, is put forward. The microstructure, martensitic transformatioon and strain recovery characterisitcs of Ti-Ni-Nb-Co alloys are investigated. The relationship between the Co content and the phase, transformation behavior and mechanical properties of Ti-Ni-Nb-Co alloys is clarified. The effect of Co content and deformation condition on the transformation hysteresis and strain recovery characterisitc is studied to obtain the optimal Co content and deformtion condition with wide transformation hysteresis, large recovery ratio and high recovery stress. The evolution of the morphology, substructure and interface structure in the deformed martensite with the change of Co content and deformation condition is investigated. The corresonding reverse transformtion is also studied. Finally, the mechanism that deformed martensite reversibility and recovery characterisitcs are improved due to Co addition is disclosed. This research is very improtant to enrich martensitic transformtion theory and explore wide hysteresis shape memory alloys with high performance.

Ti-Ni-Nb合金经适当过量变形可获得宽相变滞后，其连接紧固件扩径后可在室温下存储，应用方便，前景广阔。但过量变形恶化了应变恢复特性，已成为航空等领域高性能连接的应用瓶颈。本项目提出采用Co添加改善过量变形马氏体的可逆性，在获得宽相变滞后的前提下提高应变恢复特性的新思路。系统研究Ti-Ni-Nb-Co合金的微观组织结构、马氏体相变与应变恢复特性，重点查明Co添加对相组成、相变行为和力学性能的影响规律和机理，研究Co含量和形变对相变滞后和应变恢复特性的影响规律，获得兼具有宽相变滞后、大恢复率和高恢复力的Co含量及形变量和形变温度。研究形变马氏体的形态、亚结构和界面结构随Co含量和变形条件变化的演变规律及其逆转变特性，揭示Co添加提高形变马氏体可逆性、改善应变恢复特性的微观机制，该研究对丰富马氏体相变理论和开发应变恢复特性优异的宽滞后形状记忆合金具有重要意义。

Ti-Ni-Nb合金适当过量变形可获得宽相变滞后，其连接紧固件扩径后可在室温下存储，为工程应用提高较大便利。但过量变形导致TiNiNb合金的应变恢复特性大大降低。本项目采用Co元素添加改善过量变形马氏体的可逆性，在保证宽相变滞后的前提下，获得大恢复率和恢复力的Ti-Ni-Nb-Co合金。本项目系统研究了冷热变形及退火处理对Ti-Ni-Nb-Co合金的组织结构，马氏体相变，力学行为与应变恢复特性的影响规律。揭示了Co含量和形变条件对合金相变滞后和应变恢复特性的影响规律及机制；确定了优异应变恢复特性的最佳Co含量和冷热变形条件。研究发现，热冷变形使基体中产生较多位错并对β-Nb相造成强烈变形。冷热变形对合金的相变滞后以及应变恢复特性影响不明显。Co元素的添加会促使合金产生析出相，析出相的数量和尺寸随着Co含量和退火温度的升高而增大。并确定40%冷变形量650oC退火2h后Ti44.5Ni44.5Nb9Co2合金得到最大临界切变应力为320MPa，并在预变形16%时获得最大可逆恢复应变为13.5%，最大恢复力为584MPa。此时，合金中位错重排成较为稳定的组态，构成较多亚晶界，亚晶结构出现，并且产生亚晶以及较小尺寸的等轴晶，纳米尺度析出相在晶内与晶界中析出，亚晶界及纳米析出相对合金强度有最佳的强化效果。原位研究了具有不同形态、亚结构和界面结构的形变马氏体加热时的逆转变规律；研究表明合金在较小拉伸变形量（ε_t≤12%），室温下都为母相只有少量细小马氏体，当拉伸变形量为16%和20%时，应力诱发马氏体的亚结构主要为（111(-)）M I型孪晶和（001）M孪晶，并且马氏体变体界面和亚结构产生较大畸变。另外研究发现，随着试样加热，母相优先在变体界面与晶界处形核，通过母相—马氏体界面的迁动呈跳跃式长大，并总结出马氏体各个变体的稳定也不相同，被挤压和交叉碰撞的马氏体变体稳定性最高。这些研究结果对未来Ti-Ni-Nb合金的的应用拓展奠定了基础。共发表SCI论文7篇，其中影响因子大于3的论文4篇，项目培养4名学生通过博士答辩，2名学生通过硕士答辩。