● 摘要
TiNiFe合金管接头是形状记忆合金最成功的工程应用之一，其具有传统管接头材料无法比拟的优越性能。本人所在的课题组已制备的Ti50Ni47Fe3合金，在奥氏体状态的抗拉强度已达到700MPa、延伸率大于26%。虽然其强度已有较大提高，但仍需进一步提高以满足其在高压、高强条件下作为紧固件使用的要求。而提高管接头强度的方法除了合金化外，不同的加工方式也会对合金的微观组织产生影响，进而改变合金的力学性能。目前国内采取对棒材进行机械加工钻孔的方法制作TiNiFe形状记忆合金管接头，本文通过塑性加工得到TiNiFe形状记忆合金管材，研究热加工(斜轧穿孔方法)和冷加工(冷轧方法)对合金相变特性和力学行为的影响，试图通过塑性加工的方法，进一步提高TiNiFe合金管材的力学性能。研究结果显示，Ti50Ni47Fe3形状记忆合金在600℃－1050℃温度范围内拉伸变形时，具有和普通塑性材料相类似的变形行为，随着温度的上升屈服强度和抗拉强度均下降；同时，延伸率分别在650℃和850℃出现峰值，在700℃－750℃有一个塑性较差的区间。综合相图和塑性图，800℃－900℃为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金的最佳热塑性区间。结合实际加工过程，选择950℃为斜轧穿孔前的加热温度。综合考虑合金本身的加工特性和设备因素，选择轧制速度为30mm/s。在上述工艺条件下进行锻造态棒状Ti50Ni47Fe3形状记忆合金的斜轧穿孔，得到Ti50Ni47Fe3形状记忆合金无缝管。从该无缝管上选取试样，得到穿孔态试样。对穿孔得到的无缝管进一步冷轧减径，从最终得到的冷轧管上取样，得到冷轧态试样。金相和XRD的研究显示，Ti50Ni47Fe3合金的锻造态、穿孔态和冷轧态室温时均为B2母相；经过塑性变形后其晶粒得到了明显的细化，并且存在大量的滑移线；850℃，15min时效后，穿孔态和冷轧态合金的晶粒得到很好的回复，滑移线也明显减少。穿孔和冷轧变形使晶体的晶面间距发生了改变；同时Ti50Ni47Fe3合金出现了明显的织构。综合电阻-温度曲线和低温XRD衍射谱：Ti50Ni47Fe3合金在穿孔后的相转变温度相对于锻造态均降低，其中Ms从-132℃降到-150℃；合金冷轧后的Ms继续降低，在-190℃只有少量马氏体出现。与锻造态Ti50Ni47Fe3合金相比，热穿孔态试样轴向和径向显微硬度几乎没有变化，无明显的加工硬化效应；而冷轧态的显微硬度比锻造态增加了大约40％，加工硬化率很大。Ti50Ni47Fe3合金穿孔和冷轧变形后的室温屈服强度均得到了大幅度的提高，延伸率有所降低，但仍足以满足作为管接头应用的要求；液氮温度下的屈服强度基本不变，延伸率也保持在最低13％。这说明塑性加工生产TiNiFe形状记忆合金管接头具有非常良好的应用前景。动态冲击实验表明，斜轧穿孔提高了Ti50Ni47Fe3合金的韧性，而冷轧使Ti50Ni47Fe3合金的韧性降低。穿孔态Ti50Ni47Fe3合金的裂纹扩展功比锻造态提高了0.21J，而冷轧态的裂纹扩展功只有0.35J。 锻造态、穿孔态、冷轧态Ti50Ni47Fe3合金的最大可回复应变分别为9.7％； 5.6％和4.5％。塑性加工过程中引入了不可逆应变，是导致其形状记忆效应降低的最主要原因。