文章编号：1004-0609(2010)S1-s0483-04

Ni4₇Ti₄₄Nb₉形状记忆合金轧制板材的织构、相变和性能

颜  莹¹，金  伟²，王  健²，周亭俊¹

 (1. 东北大学 材料物理与化学研究所，沈阳 110004；

2. 中国科学院 金属研究所，沈阳 110016)

摘  要：采用XRD、DSC和拉伸试验机对热轧和冷轧Ni₄₇Ti₄₄Nb₉形状记忆合金板材的织构、相变、拉伸和恢复性能进行研究，以便为提高Ni₄₇Ti₄₄Nb₉合金的性能提供参考依据。结果表明：热轧板材中的{001}áuv0?和γ丝织构较强，冷轧板材的织构主要为γ丝；850 ℃退火冷轧板材的M_s点低于热轧板材的，且热滞明显提高；沿850 ℃退火板材轧向(RD)，应力诱发马氏体临界应力σ_M最高，与轧向成45?角方向最低，且冷轧板材的应力诱发马氏体临界应力高于热轧板材的；850℃退火冷轧板沿不同方向可恢复应变基本接近，热轧板材存在差异，沿横向(TD)和45?角方向高于冷轧板材。

关键词：Ni₄₇Ti₄₄Nb₉形状记忆合金；相变；织构；拉伸性能；恢复应变

中图分类号：TG 146.4；TG 139.6　　     文献标志码：A

Texture, transition and properties of

rolled Ni₄₇Ti₄₄Nb₉ shape memory alloy sheet

YAN Ying¹, JIN Wei², WANG Jian², ZHOU Ting-jun¹

 (1. Institute of Materials Physics and Chemistry, Northeastern University, Shenyang 110004, China;

2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: The texture, transformation and tensile and recovery properties of hot-rolled and cold-rolled Ni₄₇Ti₄₄Nb₉ shape memory alloy sheets were studied by XRD, DSC and tensile tester. The purpose was to provide reference data for improving properties of Ni₄₇Ti₄₄Nb₉ alloys. The results show that {001} and γ fibre textures in the hot-rolled sheet are more intense, and the main texture in cold-rolled sheet is γ fibre. M_s point of the cold-rolled sheet annealed at 850 ℃ is less than that of the hot-rolled sheet, and (A_s-M_s) obviously increases. The stress-induced martensite transformation critical stress σ_M of sheets annealed at 850 ℃ is maximum along RD and minimum along 45? angle to RD, and σ_M of the cold-rolled sheet is more than that of the hot-rolled sheet along different directions. The recovery strains of the cold-rolled sheet annealed at 850 ℃ are near along different directions and those of the hot-rolled sheet are different and more than those of the cold-rolled sheet along TD and 45? angle.

Key words: Ni₄₇Ti₄₄Nb₉ shape memory alloy; transition; texture; tensile properties; recovery strain

形状记忆合金部件在热加工或冷变形过程中，会产生不同的织构，从而影响合金的力学和记忆性能。对近等摩尔比TiNi多晶合金的织构研究表明，在B2母相中，主要形成α或γ丝织构^[1-4]。织构的存在导致TiNi合金板材的性能呈现明显的各向异性^{[2, 5-6]}。目前，对于TiNi基形状记忆合金织构及其与性能关系的研究主要集中在TiNi合金，对Ni₄₇Ti₄₄Nb₉形状记忆合金的织构，尤其是织构与性能关系的研究鲜见报道。因此，本文作者研究该合金热轧和冷轧板材的织构及其与拉伸和记忆性能的关系，既可为其在工程上的应用提供参考依据，同时也为进一步揭示织构影响记忆合金力学和记忆行为机理打下基础。

1  实验

取150 kg Ni₄₇Ti₄₄Nb₉(摩尔分数，%)合金铸锭，经850 ℃热锻和热轧制备成厚3 mm的板材，然后冷轧，冷轧过程中采取850 ℃，20 min中间退火，最后冷轧成2 mm厚板材。从板材上切割出DSC分析、织构分析和图1所示“工”字型拉伸试样，最后经850 ℃，90 min退火处理。

图1  拉伸试样示意图

Fig.1  Schematic diagram of tensile sample (mm)

利用PekinElmer Pyris Diamond DSC、X’pert Pro MRD XRD和AG-l 500 kN拉伸试验机测试相变、织构和性能。DSC测量时，升降温速率为20 ℃/min；织构测试采用CoK_α辐射、管压35 kV、管流40 mA，测定B2相{110}、{200}、{211} 3个不完整极图，极图测量范围α为0~70?，β为0~360?，利用Bunge法计算ODF；拉伸速率为1.2×10^-3 s^-1，恢复试验在-65 ℃下，进行17%预变形后卸载，随后升温至240 ℃。

2  结果与讨论

2.1  织构

图2所示为热轧和冷轧板材中B2相的ODF恒φ₂截面图组。由图2可见，板材的强织构组分主要分布在φ₂=45?的截面图中。从热轧板材φ₂=45?截面图可知，B2相具有较强的{001}áuv0?和γ丝织构，以及较弱的{332}áuvw?织构(见图2(a))。{001}áuv0?织构中强点为(001)[10]和(001)[0]组分，取向密度分别为17.65和17.57。γ丝织构的强点为(111)[15]和(111)[2]组分，取向密度分别为11.75和13.38。取向密度最大值17.84的织构组分出现在φ₂=65?和70?截面图中，为(001)[10]。冷轧板材中的B2相主要形成了较强的γ和{332}丝织构(见图2(b))。γ丝中的组分都比较强，尤其是(111)[10]和(111)[01]组分，取向密度为14.56。{332}丝织构中只有(233)[01]组分强度较高，取向密度达到最大值16.08。

图2  热轧和冷轧板材ODF恒φ₂截面图组

Fig.2  Constant φ₂ section groups of ODFs of hot- (a) and cold-rolled (b) sheets

以上结果表明：热轧板材中的{001}áuv0?织构并不稳定，继续冷轧加中间退火，该织构消失，而γ丝织构增强。

2.2  相变

经850 ℃，90 min退火处理板材的DSC曲线示于图3。由图3可见，冷轧板材的M_s点为-90.8 ℃，低于热轧板材的-77.3 ℃，且相变热滞从热轧板材的31.9 ℃提高到冷轧板材的44.7 ℃。

图3  经850 ℃，90 min退火热轧和冷轧板材的DSC曲线

Fig.3  DSC curves of hot- and cold-rolled sheets annealed at 850 ℃ for 90 min

2.3  拉伸和记忆性能

沿与850 ℃退火板材轧向成0?、45?、90?方向拉伸的室温应力—应变曲线示于图4。沿横向(90?)拉伸，应力诱发马氏体再取向平台都不明显，而沿轧向(0?)和45?角方向比较明显。从中测得的应力诱发马氏体相变临界应力σ_M见表1。由表1可看出，板材的应力诱发马氏体临界应力沿轧向最高，横向次之，45?角方向最低；沿冷轧板材不同方向，应力诱发马氏体临界应力高于热轧板材的。

图4  经850 ℃，90 min退火热轧和冷轧板材不同方向拉伸的室温应力—应变曲线

Fig.4  Room temperature tensile stress—strain curves of hot- rolled (a) and cold-rolled (b) sheets annealed at 850 ℃ for 90 min along different directions

表1  经850 ℃，90 min退火板材沿不同方向拉伸后的σ_M

Table 1  σ_M of sheets annealed at 850 ℃ for 90 min along different directions

Ni₄₇Ti₄₄Nb₉合金在(M_s±30) ℃下变形到14%~ 20%，可有效地提高马氏体的稳定性，使相变滞后增大，同时应变回复率仍然维持在较高的水平。因此，选择在-65 ℃下对850 ℃退火板材进行17%预变形后卸载加热，从温度—应变关系曲线测得的恢复应变见表2。由表2可看出，冷轧板材沿不同方向拉伸可恢复应变基本维持在7%，而热轧板材沿横向和45?角方向恢复应变较高，而沿轧向则与冷轧板材接近。

表2  在-65 ℃沿不同方向预变形到17%后板材的恢复应变

Table 2  Recovery strains of sheet along various directions at 17% pre-strain and -65 ℃ (%)

2.4  讨论

透射电镜及X射线分析表明^[7]，不同取向形变晶粒储能由大到小顺序为{110}、{111}、{112}。{100}，{110}和{112}晶粒虽然储能较大，但热轧后其数量极少，因此可以预测再结晶应先在{111}区、随后在{100}区进行。冷轧加中间退火主要为γ丝织构，这也证明再结晶主要在{111}区进行，再加上形变，导致{001}áuv0?织构消失。

与热轧板材相比，冷轧板材经多次冷轧加850 ℃中间退火后，再结晶的发生细化了B2相晶粒尺寸，母相的强化降低了M_s点，也增大了热滞，且沿不同方向拉伸的应力诱发马氏体临界应力高于热轧板材。

冷轧板材中的γ丝织构导致沿不同方向拉伸恢复应变变化不大。而热轧板材中由于存在较强的{001}áuv0?丝织构，且{111}区是再结晶发生的主要区域，所以经850 ℃退火后，热轧板材的{001}áuv0?丝织构会减弱，γ丝织构将增强。由于{001}áuv0?织构的存在导致不同方向的恢复应变存在差异。

沿TiNi单晶的[111]、[110]和[001]取向拉伸，在应力—应变曲线上呈现的硬化现象越来越明显，而压缩时正好相反。多晶材料拉伸与压缩载荷作用下的应力—应变曲线的不对称性主要与合金的择优取向有  关^[8-9]。对于热轧板材中的B2相，{001}áuv0?丝织构较强，且向{001}á010?组分靠近，这导致沿轧向应力诱发马氏体临界应力较高。冷轧板的强织构组分主要靠近{111}á110?，所以沿横向强织构组分应靠近{111}á112?。á112?、á110?与á111?的夹角分别为19.5?和35?。因此，á112?更接近á111?取向，导致冷轧板材沿轧向临界应力较高。

3  结论

1) 热轧板材织构主要为{001}áuv0?和{111}áuvw?丝，经冷轧加中间退火后，{001}áuv0?丝织构消失，{111}áuvw?丝织构增强。

2) 经850 ℃退火冷轧板材的M_s点低于热轧板材的，热滞提高。

3) 经850 ℃退火板材沿轧向的应力诱发马氏体临界应力最高，沿45?角方向最低。沿不同方向拉伸，冷轧板材的临界应力高于热轧板材。

4) 经850 ℃退火冷轧板材的恢复应变沿不同方向变化不大，而热轧板材沿横向最大，沿轧向与冷轧板材接近。

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(编辑 袁赛前)

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