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CuAlNi形状记忆合金制备及组织性能研究

作　者: 吴春勇
导　师: 谢春生
学　校: 江苏科技大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 形状记忆合金 CuAlNi合金合金化热处理相变温度回复率
分类号: TG139.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文以CuAlNi形状记忆合金为研究对象，运用真空非自耗电弧炉和高频感应炉，分别制备了添加Ti、Zr、B和Mn元素的多组不同成分CuAlNi合金，并进行了不同热处理工艺试验，对不同成分、状态的试样分别进行了显微组织观察、XRD物相分析、相转变温度、形状回复率测试，研究不同合金元素及热处理工艺对CuAlNi形状记忆合金组织与性能的影响。结果表明：熔炼工艺对合金质量有很大的影响，通过AtecD型高频感应炉所制备合金铸锭质量优于WK-Ⅱ型真空非自耗电弧炉。Ti、Zr、B三种元素的添加能够不同程度上细化CuAlNi合金晶粒，其中B元素细晶效果最显著，能够将晶粒从原来的1~2mm细化至150~200μm，同时铸锭组织由柱状晶状变成为等轴晶。随着Al含量的增加，CuAlNi合金淬火后所获得的M18R马氏体单斜程度逐渐增加。其次，合金相转变温度随之快速下降，但是形状回复率却逐渐升高。增加Ni含量可以遏制合金中γ2相析出，降低相转变温度同时，合金形状回复率能够得到一定提升。B元素在CuAlNi合金除了能够起到细化合金晶粒尺寸的效果，还能够显著影响合金的共析点，但是组织细化到150~200μm之后，继续添加B元素细化组织的作用不大。添加Mn元素制备成的CuAlNiMnB合金与其它各组CuAlNi合金相比，能够兼具高的相变温度与更高的形状回复率。随着淬火温度的升高，CuAlNiMnB合金马氏体条逐渐变得宽大平直，相变温度则先升高后下降，Ms点在800℃×10min淬火后为171.6℃，形状回复率达最高值96%。合金有序度随着保温时间的延长，合金形状回复率则随时间呈现先快速升高后缓慢降低的趋势。回火处理可以调高合金的相变温度并且增加合金硬度及形状记忆效应的热稳定性，但是在300℃下回火时间超过10min后，将导致马氏体边界模糊、平直性变差，同时开始析出γ2相、严重削弱合金形状记忆效应。综合比较研究各组合金后得知，通过高频感应炉熔炼制备的CuAlNiMnB合金，经800℃×10min淬火处理后，成分均匀、组织细小且具有高相变温度与高形状回复率。相比于传统CuAlNi合金，该合金具有更高的推广潜力与工程应用价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-24
  1.1 形状记忆合金概述  14-17
    1.1.1 形状记忆合金的发展历史  14
    1.1.2 形状记忆效应  14-15
    1.1.3 形状记忆合金特性  15-16
    1.1.4 形状记忆合金的种类  16-17
    1.1.5 形状记忆合金的应用  17
  1.2 Cu 基形状记忆合金概述  17-22
    1.2.1 CuAlNi 合金形状记忆机理  17-18
    1.2.2 CuAlNi 合金的晶体学特征  18-19
    1.2.3 Cu 基形状记忆合金的制备工艺  19-20
    1.2.4 影响 Cu 基形状记忆合金性能的主要因素  20-21
    1.2.5 Cu 基形状记忆合金存在的问题  21-22
  1.3 本课题研究意义及主要内容  22-24
    1.3.1 本课题研究意义  22-23
    1.3.2 本课题研究主要内容  23-24
第2章试验材料与方法  24-30
  2.1 试验工艺流程图  24
  2.2 试验材料  24-25
  2.3 试验设备  25
  2.4 试样制备  25-26
    2.4.1 合金熔炼  25
    2.4.2 压力成型  25-26
    2.4.3 试样切割  26
    2.4.4 热处理工艺  26
  2.5 材料组织及物相分析  26-27
    2.5.1 显微组织观察  26-27
    2.5.2 XRD 物相分析  27
    2.5.3 扫描电镜观察及能谱分析  27
  2.6 性能测试  27-30
    2.6.1 硬度测试  27-28
    2.6.2 形状回复率测量  28
    2.6.3 相转变温度测试  28-30
第3章 CuAlNi 合金成分设计与制备  30-42
  3.1 引言  30
  3.2 合金设计及熔炼原理  30-32
    3.2.1 合金凝固的一般过程  30-31
    3.2.2 CuAl 二元相图  31
    3.2.3 合金元素对 CuAlNi 合金的影响  31-32
  3.3 合金成分设计及炉料计算  32-34
    3.3.1 配料计算  32-33
    3.3.2 合金成分设计  33-34
  3.4 合金熔炼制备工艺与设备  34-37
    3.4.1 真空非自耗电弧炉  34-35
    3.4.2 高频感应炉  35-37
  3.5 不同成分的 CuAlNi 合金组织研究  37-38
  3.6 熔炼工艺对合金铸锭组织影响  38-41
    3.6.1 真空电弧炉制备的 CuAlNi 合金铸锭及组织  38-40
    3.6.2 高频感应炉制备的 CuAlNi 合金铸锭及组织  40-41
  3.7 本章小结  41-42
第4章合金成分对 CuAlNi 合金组织与性能的影响  42-58
  4.1 引言  42
  4.2 Al 元素对 CuAlNi 组织与性能的影响  42-47
    4.2.1 Cu-xAl-Ni 合金退火组织研究  42-44
    4.2.2 Cu-xAl-Ni 合金淬火组织研究  44-45
    4.2.3 Cu-x-Al-Ni 合金淬火组织 XRD 分析  45-46
    4.2.4 Al 元素对 CuAlNi 合金相变温度的影响  46-47
    4.2.5 Al 元素对 CuAlNi 合金形状回复率的影响  47
  4.3 Ni 元素对 CuAlNi 组织与性能的影响  47-49
    4.3.1 Cu-Al-xNi 退火组织研究  47-48
    4.3.2 Cu-Al-xNi 合金淬火组织研究  48
    4.3.3 Cu-Al-xNi 合金淬火组织 XRD 分析  48-49
    4.3.4 Ni 元素对 CuAlNi 合金形状记忆效应的影响  49
  4.4 B 元素对 CuAlNi 组织与性能的影响  49-52
    4.4.1 Cu-Al-Ni-xB 合金退火组织研究  49-50
    4.4.2 Cu-Al-Ni-xB 合金淬火组织研究  50-51
    4.4.3 Cu-Al-Ni-xB 合金淬火组织 XRD 分析  51
    4.4.4 B 元素对 CuAlNi 合金形状记忆效应的影响  51-52
  4.5 CuAlNiMnB 合金组织与性能的研究  52-55
    4.5.1 CuAlNiMnB 合金组织分析  52-53
    4.5.2 CuAlNiMnB 合金的 XRD 分析  53-55
    4.5.3 CuAlNiMnB 合金形状记忆效应研究  55
  4.6 本章小结  55-58
第5章热处理工艺对 CuAlNiMnB 合金组织与性能的影响  58-72
  5.1 淬火温度对 CuAlNiMnB 合金组织与性能的影响  58-62
    5.1.1 淬火温度对材料组织的影响  58-59
    5.1.2 不同温度下淬火 CuAlNiMnB 合金 XRD 分析  59
    5.1.3 淬火温度对合金硬度的影响  59-60
    5.1.4 淬火温度对合金相变温度的影响  60-61
    5.1.5 淬火温度对合金回复率的影响  61-62
  5.2 淬火保温时间对 CuAlNiMnB 合金组织与性能的影响  62-65
    5.2.1 淬火保温时间对合金组织的影响  62
    5.2.2 保温不同时间后淬火 CuAlNiMnB 合金 XRD 分析  62-63
    5.2.3 淬火保温时间对合金相变温度的影响  63-64
    5.2.4 淬火保温时间对回复率的影响  64-65
  5.3 回火温度对 CuAlNiMnB 合金组织与性能的影响  65-68
    5.3.1 回火温度对合金显微组织的影响  65-66
    5.3.2 回火温度对合金硬度的影响  66
    5.3.3 回火温度对合金相变点的影响  66-67
    5.3.4 回火温度对合金形状回复率的影响  67-68
  5.4 回火时间对 CuAlNiMnB 合金组织与性能的影响  68-70
    5.4.1 回火时间对合金显微组织的影响  68-69
    5.4.2 回火时间对合金相变温度的影响  69
    5.4.3 回火时间对合金回复率的影响  69-70
  5.5 本章小结  70-72
结论  72-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77-78
致谢  78-79
详细摘要  79-83

CuAlNi形状记忆合金制备及组织性能研究

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