DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.06.008
组织及相结构对Cu-Al-Be-B形状记忆合金阻尼与力学性能的影响
华东船舶工业学院材料及环境工程系,东南大学机械工程系,华东船舶工业学院材料及环境工程系 镇江212003
东南大学机械工程系,南京210006,南京210006,镇江212003
摘 要:
研究了Cu Al Be B形状记忆合金的成分、微观组织和相结构与阻尼和力学性能的关系 , 通过扫描电镜原位观察合金在单向拉伸应力作用下裂纹萌生和扩展的特征。结果表明 :应力诱发马氏体变体的转变使Cu Al Be B合金具有较高的阻尼性能 ;弹性各向异性和相变应变差引发晶界应力集中 , 导致合金在拉伸条件下发生晶间断裂 ;18R与 2H马氏体混合程度大时 , 会增加相变应变差引起的晶界应力集中和可能萌生的晶界裂纹源 , 大大减小合金的塑性和强度。
关键词:
Cu-Al-Be-B形状记忆合金;马氏体变体;阻尼性能;力学性能;原位拉伸;
中图分类号: TG139.6
收稿日期:2002-02-26
基金:江苏省应用基础研究资助项目 (BK95 0 36 10 4);
Effects of microstructure and phase structure on damping and mechanical properties of Cu-Al-Be-B shape memory alloys
Abstract:
The relationships between composition, microstructure and properties such as damping and mechanics as well as in situ extension of Cu-Al-Be-B shape memory alloys were investigated by means of SEM . It is showed that the high damping capacity of alloys ascribes to the stress induced interface motion of martensite variants. It is clear that microcracks nucleate and develop along polycrystalline boundaries, in which stress concentration resulted from elastic anisotropy and difference of phase transformation strain exist. The more the mixture of 18R and 2H martensites, the more the stress concentration and the probable cracks around polycrystalline borders, therefore weakening mechanical properties, namely resulting in low plasticity and tensile strength.
Keyword:
Received: 2002-02-26
具有优良形状记忆效应和超弹性的NiTi, Cu基等形状记忆合金, 同时还表现出良好的阻尼减振能力
Cu基形状记忆合金中, 对有关Cu-Al-Ni和Cu-Zn-Al合金阻尼性能、 力学性能的研究工作比较多
1 实验方法
1.1 实验合金的成分和性能测试方法
实验选用1#合金成分 (质量分数, %) 为Cu-10.61Al-0.45Be-0.048B, 2#合金为Cu-11.32Al-0.36Be-0.067B。 两种实验合金在中频感应电炉中真空熔炼后, 用金属型非真空浇注成170 mm×70 mm×60 mm的铸锭, 空冷成型。 采用四端子电阻法测定合金相变点, 在ZDM-30 t液压材料实验机上进行拉伸实验, 阻尼性能 (S.D.C) 由JD-802大应力扭摆式阻尼仪测得, 力学性能和阻尼测试分别依据GB228—87和GB/T13665.92。
1.2 扫描电镜原位拉伸试样和实验
采用线切割加工尺寸为40 mm×5 mm×0.5 mm的双边缺口原位拉伸试样, 缺口半径R=1 mm。 试样经01#~05#金相砂纸细磨, 金刚石研磨膏抛光后, 用氯化铁盐酸水溶液侵蚀表面, 显示金相组织。 原位动态拉伸及观察在X-650 HITACHI扫描电镜上进行, 最大载荷可达2 kN, 用二次电子像记录拉伸时裂纹形成、 扩展和断裂的过程, 并观察断口形貌。 用XD-3A X 射线衍射仪并结合扫描电镜分析合金的物相组成和相结构。 所有实验均在室温 (25 ℃左右) 进行。
2 实验结果
2.1 组织和性能
两种合金的铸态金相组织如图1所示。 基体组织是马氏体, 由于1#和2#合金分别为亚共析和近共析成分, 铸态空冷不能完全抑制共析α相的析出, 但其数量较少, 只是在晶界析出, 所以在晶界形成断续的白色α网, 而且1#合金的α的相对量也比2#合金多一些, 金相照片图1 (a) 可见其晶界α网的连续程度比2#合金略高。 此外, 局部成分的偏析导致少量块状或花瓣状γ2相的生成, 并间或分布于基体或晶界上。 由于微量B元素有细化晶粒的效果, 合金的晶粒都较细, 在0.2~0.5 mm范围内。 图2所示的X射线衍射结果表明, 合金的马氏体主要为18R结构, 还混杂一些2H马氏体, 而且1#合金的2H衍射峰比2#合金强, 所以1#合金的2H马氏体比2#合金多。 扫描电镜照片证实了这一点, 在1#合金的一些晶内发现有竹节状的2H马氏体变体, 图3 (a) 所示即为其典型形貌, 而2#合金基本都是矛头状或平行条状的18R马氏体变体, 如图3 (b) 所示。 另外, α相的衍射强度也与α的相对含量吻合较好, 图2中 (111) 峰表征α相, 它与18R (0018) 峰相重叠, 显然由于1#合金α相较多, 造成其 (111) α衍射峰的相对强度高于2#合金。
合金的相变温度及其室温性能参见表1。 由于Al和Be降低相变温度
图1 Cu-Al-Be-B合金的光学显微组织
Fig.1 Optical microstructures of Cu-Al-Be-B alloys (a) —Alloy 1#; (b) —Alloy 2#
图2 Cu-Al-Be-B合金的X射线衍射谱
Fig.2 XRD spectra of Cu-Al-Be-B alloys (a) —Alloy 1# ; (b) —Alloy 2#
图3 Cu-Al-Be-B合金的SEM照片
Fig.3 SEM microstructures of Cu-Al-Be-B alloys (a) —Alloy 1# ; (b) —Alloy 2#
表1 合金的相变温度和力学、 阻尼性能
Table 1 Phase transformation temperatures and properties of Cu-Al-Be-B alloys
Alloy No. | Transformation Temperature/℃ | Mechanical properties | Damping property, SDC/% |
||||||||
Ms | Mf | As | Af | σ0.2/MPa | σb/MPa | δ5/% | |||||
1# | 80 | 50 | 80 | 105 | 215 | 403 | 1.4 | 17.4 | |||
2# | 85 | 55 | 80 | 120 | 209 | 579 | 5.88 | 23.8 |
表1可见, 2#合金的阻尼能力略高于1#合金, 但它们的力学性能却有很大的差异, 尽管两者的屈服强度相近, 但1#合金的断裂强度和延伸率仅为403 MPa和1.4%, 远低于2#合金。
2.2 扫描电镜原位拉伸观察
2.2.1 1#合金原位拉伸
如图4 (a) 所示, 1#合金加载过程中先在一侧缺口边缘附近的晶界处萌生一微裂纹, 裂纹与拉伸应力方向垂直。 图4 (b) 显示当继续加载时裂纹增宽, 同时裂纹尖端沿晶界向前推进并在晶粒交界处受阻。 进一步加大载荷, 在其它位置同时引发多处裂纹, 有的在缺口附近 (图4 (c) ) , 但大部分裂纹都是沿晶界形核、 扩展。 此时试样上布满裂纹并使有效承载面积大大减小, 再经一次轻微加载试样即断裂。
2.2.2 2#合金原位拉伸
图5 (a) ~ (f) 示出了2#合金原位拉伸时裂纹的萌生和发展变化过程。 图5 (a) 清楚地表明裂纹在缺口边缘处形核并沿晶界扩展, 在主裂纹A的裂尖应力集中作用下, 其前端的晶界处出现不连续的两个微裂纹B和C。 继续加载, 裂纹B和C融合, 主裂纹A与裂纹B也更加接近, 融合后的B、 C裂纹止于另一晶粒晶界处, 并在其前方的α晶界引发微小裂纹源D (图5 (b) , (c) ) 。 进一步增加载荷, 主裂纹A横向开口扩大并与B, C, D裂纹融合, 同时沿晶界继续前进, 裂纹发展方向总体上与拉应力垂直, 裂纹尖端仍然终止于相邻晶界上, 并在右侧晶内由块状γ2相处激发一微裂纹E (图5 (d) , (c) ) 。 由图5 (f) 可见, 继续拉伸时微裂纹E没有进一步发展, 而主裂纹尖端继续沿右侧晶界前进, 并在相隔两个晶粒的晶界处萌发近乎平行于拉伸轴的剪切裂纹F。 由此可见2#合金拉伸时, 基本围绕一个主裂纹不断地形核、 扩展, 直至断裂。
2.2.3 断口形貌
合金的原位拉伸断口形貌如图6所示, 两者都有晶间断裂的特点, 1#合金断口形貌主要为解理加少量韧窝, 韧窝很浅, 为典型的脆性断裂; 2#合金的断口特征也是解理混合韧窝, 但其韧窝呈蜂窝状
图4 1#合金原位拉伸过程的SEM照片
Fig.4 SEM micrographs of alloy 1# during in situ extension
图5 2#合金原位拉伸过程的SEM照片
Fig.5 SEM micrographs of alloy 2# during in situ extension
密集分布, 韧窝的体积小、 数量多, 而且比较深, 韧窝边缘有大量撕裂棱, 表明2#合金断裂前经历了一定的塑性变形。 显然, 断口形貌特点与合金的力学性能数据符合得很好。
3 分析与讨论
Belkala等人
两种合金表现出的不同性能和原位拉伸特点与组织中所混杂的2H马氏体量的多寡有较大关系。 竹节状2H马氏体由于不同变体间惯习面不同, 空间取向有所差异, 相互间协调困难; 相比之下, 粗大的平行排列或矛头状的18R马氏体变体间的界面较少, 相互间的协调性也好, 有利于变体间的转变
力学性能实验结果和原位拉伸实验可见, Cu-Al-Be-B合金的塑性较差, 并呈晶间断裂。 这是由于它和Cu-Al-Ni等Cu基形状记忆合金一样, 母相是有序的DO3结构, 马氏体相继承了母相的有序性, 外力下难于引发滑移, 同时晶体的弹性各向异性和应力诱发相变时晶界两侧的相变应变差会导致晶界处发生应力集中
式中 C44表示对{110}〈001〉剪切的抗力, (C11-C12) /2则表示对
图6 Cu-Al-Be-B合金原位拉伸SEM断口形貌
Fig.6 SEM micrographs of Cu-Al-Be-B alloys tensile fracture (a) —Alloy 1#; (b) —Alloy 2#
力集中。 弹性各向异性和相变应力集中综合作用导致裂纹优先在晶界萌生并扩展, 晶界的α相强度低、 塑性好, 但对如此强烈的应力集中的弛豫效果极其有限。 1#合金存在的2H马氏体比2#合金多, 由于其马氏体混杂的程度较大, 应力诱发马氏体相变引起的相变应力集中就大, 可能引发应力集中的晶界也较多。 所以拉伸时很容易在多处同时萌生晶界裂纹, 几乎未经塑性变形就在低的应力下发生断裂。 相反, 2#合金混杂的2H马氏体少, 于是基本上沿一个主裂纹扩展, 进行一定的塑性变形并发生加工硬化, 所以显示出一定的塑性和较高的断裂强度。 但总体而言, 2#合金的塑性还是很差。 对Cu基形状记忆合金, 通常是采用热处理或添加合金元素的方法来细化晶粒而提高晶粒间变形的协调性, 改善其综合力学和加工性能
4 结论
1) Cu-Al-Be-B形状记忆合金在马氏体状态具有较高的阻尼性能 (SDC=17%~24%) , 其中18R马氏体变体的自协作性较好, 容易进行应力诱发马氏体变体的转变, 若混杂较多的2H马氏体则会降低阻尼能力。
2) Cu-Al-Be-B合金的弹性各向异性和相变应变差引起晶界应力集中, 导致拉伸条件下的晶间断裂。 2H马氏体与18R马氏体混合程度大时, 会增加相变应变差引起的晶界应力集中和可能萌生的晶界裂纹源, 减小合金的塑性和强度。 反之, 避免或减少不同马氏体的混杂, 有利于改善塑性并提高强度性能。
参考文献
[11] HiroyasuF .ShapeMemoryAlloys[M ].Tokyo:San ngyouTosyoPress, 1984114124.