● 摘要
NiTi基形状记忆合金以独特的形状记忆效应和超弹性，作为重要的智能材料已经在航空航天、机械电子、医疗植入和智能控制等领域展现出广阔的应用前景。同时，NiTi基形状记忆合金因其优异的孪晶阻尼性能，且阻尼特性具有可控性，从而引起了材料和机械等领域的广泛的关注。然而，NiTi形状记忆合金马氏体状态下由于马氏体孪晶自协作的原因，屈服强度很低，极大的限制了NiTi形状记忆合金作为阻尼合金的工程应用。因此，研究高强度的NiTi基形状记忆合金，发展具有优异阻尼性能和高力学性能的形状记忆合金，从而拓展形状记忆合金的应用范围，具有很强现实意义。本论文系统研究了TiNiNb形状记忆合金的微观结构、相变特征、力学性能和阻尼特性，获得了发展NiTi基高强阻尼合金的新途径。论文的主要研究结果如下：本论文系统研究了(NiTi)50-0.5xNbx合金的微观组织结构及其相变特征以及阻尼特性。该类合金的微观组织具有复相结构特征，其微观组织由NiTi相和(β-Nb+NiTi)共晶组织构成。合金的马氏体相变温度和合金中的Ni/Ti比例以及Nb的加入量密切相关。随Ni/Ti比例和Nb含量的降低，合金马氏体相变及逆相变特征温度升高。在(NiTi)50-0.5xNbx合金系列的基础上，设计了具有高相变温度、高阻尼性能和高屈服强度的近等原子比Nb15双相合金和Nb20双相合金，这两种合金在马氏体态的屈服强度均高于250MPa。本论文深入研究了Nb含量对NiTi近等原子比TiNiNb合金的微观组织、相变特征、力学性能和阻尼特性的影响。研究发现，在合金Nb含量较少的情况下，Nb原子主要以固溶形式在合金NiTi相中；随Nb原子在NiTi相的固溶量增加，合金的屈服强度降低，相变特征温度降低，而马氏体态阻尼内耗升高。在合金Nb含量较高情况下，Nb原子主要以β-Nb形式存在；随β-Nb含量增加，合金的屈服强度升高，相变特征温度降低，而马氏体态阻尼内耗升高。实验研究发现，Nb原子固溶量增加可能使合金中NiTi相马氏体孪晶界面易动性提高，孪晶界更容易发生滑动，固而合金的屈服强度降低而阻尼内耗升高。而具有大量β-Nb相的高Nb合金，由于大量的相界面而使得阻尼内耗升高，补偿了由于NiTi相减少而导致的阻尼内耗下降。同时本论文提出了Nb含量对TiNiNb合金屈服强度影响的两种作用机制，即：Nb原子固溶机制和β-Nb复合强化机制。对于第一种机制，随Nb原子固溶量增加，合金屈服强度降低，阻尼内耗升高；对于第二种机制，随β-Nb相含量增加，合金屈服强度升高，阻尼内耗升高。在合金Nb含量较低时，Nb原子主要以固溶形式存在于NiTi相中，此时起主导作用的是Nb原子固溶机制。在合金Nb含量较高时，Nb原子主要以β-Nb相形式存在于合金中，此时起主导作用的是β-Nb复合强化机制。详细研究了Ni41Ti44Nb15合金的力学性能和阻尼特性。合金的屈服强度达到277MPa，延伸率47.5%，断裂强度816MPa。与Ni50Ti50合金相比，Ni41Ti44Nb15合金的屈服强度大幅提升。同时阻尼性能也得到提升，马氏体态阻尼内耗Tan(delta)高于0.01，优于Ni50Ti50合金。Ni41Ti44Nb15合金的铸态和轧制试样的阻尼内耗实验发现，Ni41Ti44Nb15合金铸态试样的阻尼内耗峰由两个峰构成，其中高温峰与轧制试样阻尼峰相匹配。研究发现，铸态试样中的NiTi相由含Nb量较高的核心区和含Nb量较低的外层两部分组成，其中含Nb量较低的外层跟共晶组织中的NiTi相成分相近，从而导致了阻尼内耗峰实验中的双峰出现。NiTi相的高Nb区和低Nb区两部分的形成与冷却过程中NiTi相外层Nb原子向外迁移有关，即NiTi相边缘部分Nb原子易于迁移到该相周围的β-Nb相中，从而形成了NiTi相的低Nb外层。