老龄化的影响治疗Shape-Setting和镍钛形状记忆效应的SMA波纹结构

文摘

老化治疗进行ti - 50.53。%镍形状记忆合金波纹垫片(SMA-CG)单位。相变温度的结果,shape-setting compression-resilience性能和镍钛形状记忆效应(SME)的波纹单位进行调查。实验结果表明,高温奥氏体完成能够达到500°C和400°C年龄很长一段时间,而马氏体基本上完成温度高于室温。奥氏体完成的峰值温度被发现500°C。shape-setting结果是更好的与老化温度、老化时间的增加。这是稳定单位constrain-treated时在500°C和老化时间超过30分钟。随着应变的增加,弹性率的迅速下降。弹性率下降与衰老过程。大多数老年人单位最大应变时表现出良好的中小企业不到40%。 There was the best recoverability when the ageing treatment was performed at 500°C for 60 min.

1。介绍

在过程行业,重要的是为适应法兰垫片违规行为和任何法兰系统由温度变化引起的尺寸变化在操作期间。波纹金属垫片可用于低压应用程序需要一个细线接触,因为空间或重量限制。独特的性质,如形状记忆效应(SME)和超弹性(SE)使镍钛波纹金属垫片的设计一个优秀的候选人(1- - - - - -4]。然而,制造业的复杂性和形状设置SMA结构阻碍了广泛使用镍钛的合金。镍钛的合金结构需要形成或shape-set成所需的形状为实际的工程应用。为此,镍钛波纹单位使用特定的热处理生产,一般治疗,老龄化和应用于最终产品shape-set和属性在室温下进行了优化(5]。

Efremov [1]首先提出了一种新型的螺栓法兰连接(黄东海包含能够从SMA和核心制造垫片。结合SMA的螺栓和垫片排除法兰旋转和创造了连续和密封的联合,可以扩展关键工程结构的安全使用寿命。然后,Efremov [2- - - - - -4)提供的方法制造瓦楞芯形状记忆合金,显示操作条件下的负蠕变效应。波形垫圈可以从SMA生产使用打印按SMA的平板温度低于直接从奥氏体向马氏体相变的温度SMA的马氏体。然后,它受到连续老化的温度高于温度逆马氏体相变马氏体向奥氏体的SMA在释放之前固定。但shape-setting没有的具体过程进行了研究。

刘等人。5,6)优化的热处理参数固定镍钛支架电线。镍钛支架shape-setting治疗的结果进行评估的相邻支架杆之间的角度。对镍钛线表现出良好的复苏能力在短时间内老化治疗体温进行在500°C。Elahinia et al。7]讨论了SMA的细节在shape-setting电线以获得所需的形状记忆特性。热处理温度对二元镍钛合金通常选择在窄范围325 - 525°C,和热处理时间通常是30分钟。Benafan et al。8讨论了热机的过程用于创建大多数SMA驱动器。一个常见的实践shape-setting需要四个部分。首先,机械约束组合夹具内的材料所需的形状。其次,热处理的受限物质在高温停留时间(通常1 h镍钛在500°C)。第三,冷却材料(真空、空气或淬火)最后最后通过随后的几何形状优化集或额外的加工。约翰逊和Alauddin [9]shape-set形状记忆合金牙弓。他们用电阻加热快速加热丝退火温度,然后同时淬火和塑造的材料,并迅速冷却。允许单晶材料shape-set没有递减的材料属性。

老化或退火SMA后续shape-setting操作是一种改变SMA的材料特性包括优点和相变温度。大多数SMA的组件(比如电线和管道shape-set退火条件(10]。Ni-rich合金,应用老化治疗会导致分散镍₄“透明国际”₃沉淀的矩阵。这些沉淀改变合金的转换序列(11,12]。只有一个特定的温度和时间的老化产生相干倪₄“透明国际”₃沉淀,改善合金的形状记忆行为是有用的(13]。金和宫崎骏14]阐明低温老化的影响(< 327°C)的形状记忆行为ti - 50.9。%镍合金。根据他们的研究结果,倪的大小₄“透明国际”₃沉淀几乎没有增加,但其密度增加而增加老化时间。罚款和密集的倪₄“透明国际”₃沉淀作为有效的对混乱的运动障碍。沉淀变得越来越大随着老化的温度和时间,最大恢复应变减小。江et al。13)发现,样例年龄在450°C导致罚款和密集的倪₄“透明国际”₃沉淀,屈服强度最高。水斗式等。15发现转变温度,因此属性,可以通过选择性精确调谐老化治疗。更高的一个_f气温达到老龄化在300 - 500°C的范围内。Yeung et al。16)探讨了热处理对转换特征的影响奥氏体相。标本的年龄在200 - 400°C 30 - 60分钟,分别。他们发现奥氏体相变温度可以被不同的热处理参数如老化时间、热处理温度和冷却速度。热处理温度是最关键因素改变奥氏体相变温度。Razali和马哈茂德17)关注压力诱发马氏体转变所需的临界压力的敏感性在不同老化温度。他发现合适的温度范围内创建一个梯度压力高原ti - 50.8的压力诱导马氏体转变。%倪是400到500°C。Aboutalebi et al。18)评估上的老化治疗相变和ti - 51.5的超弹性。%倪。养老样本,完成超弹性老化观察到在400年和500°C。Favier et al。19调查,转换和力学行为的影响镍钛比免费更大的约束老龄化老龄化由于外加应力将鼓励优先沉淀物的形成与外部拉应力,垂直于外部压力,放松内部压力。

然而,有研究约束的镍钛诺电线老化治疗医疗社区。和最低的马氏体相变温度的二元镍钛合金目前研究主要是低于室温。它有限的温度范围内制造SMA垫片。shape-setting治疗参数合适的知识在波形垫片和密封领域的应用,是远远不够的。在这项研究中,我们的重点是优化老化治疗参数固定镍钛波纹垫片单元shape-setting达到最好的效果。它可以应用于形状记忆合金波纹垫片的生产。同时,单位是预计将提供伟大的compression-resilience率和恢复形状的能力。它可以在室温下保持在马氏体状态在所有正常状态使用。

2。实验

在这项研究中使用的材料是ti - 55.59 wt. %倪(ti - 50.53。% Ni)形状记忆合金金属板厚度为0.3毫米。表中给出了相应的化学成分1。相变温度(米_f,米_年代,一个_年代,一个_f)的应用基标本分别为19.48,54.58,51.20和76.50°C。形状记忆合金的原理图波形垫圈(SMA-CG)和SMA-CG单元如图1。

镍钛诺床单被约束的形状SMA-CG shape-setting模具单元。模具图所示2。Shape-set老化治疗表,进行了模具,这样的温度在- 300,400年和500年为10°C, 30岁,在管式炉和60分钟(btf - 1400 C,中国),紧随其后的是空气冷却。尽量减少样品在高温下的氧化,高纯氩气(99.99% Ar)治疗期间被清除到炉腔。10毫米长度的平薄标本来自相同的表在同一炉为相变和金相学测试(5]。

相变温度测量的差示扫描量热法(DSC)使用钻石DSC Pyris 1仪器用液氮冷却的配件。样品的重量是10至20毫克。加热和冷却制度如下:标本快速加热到150°C和等温保持5分钟,冷却到0°C,同时保持等温5分钟然后再加热到150°C。在热循环冷却和加热速度是10°C /分钟。

镍钛合金对温度更敏感。环氧树脂和固化剂用于冷安装。金相标本在碳化硅论文然后抛光。微观结构是由光学显微镜检查(OLYMPUS-DSX510)和稀释溶液蚀刻后(10卷。% HF + 40卷。% HNO₃+ 50卷。% H₂O)在室温下(RT) (20.]。

盎格鲁θ之间的相邻struts吹皱被用来评估shape-setting的结果。立体显微镜(日本OLYMPUS-SZX10)是用来测量角度θ为了确保准确性。仪器和测量的例子如图3。shape-set老化处理后的角度记录为角θ₁。然后SMA-CG单位被加热到奥氏体完成温度(T≥一个_f使用电阻炉)。这个角θ₂被记录。加热温度为100°C。

由于应力-应变曲线是敏感测试温度,所有compression-resilience测试在室温下进行英斯特朗3367 (25°C)在一个桌面电子测试机。尽量减少热效应与相变有关的力学性能,所有compression-resilience测试进行了应变速率为2.0×10⁻⁴年代⁻¹(21]。在这些测试中,SMA-CG单位被压缩到最大应变和卸载到零压力在室温下。所有实验进行了应变控制下与不同的固定最大压力(20、30、40、50、70和100%)。最大压力计算和基于宏观控制的波纹的高度。Compression-resilience性能可以使用弹性率评估。它可以通过角的变化特点。这个方程表示如下: 在哪里θ₂是初始角变暖在自由状态和后记录吗θ_2n压缩后的角度记录和弹性。

compression-resilience测试后,再热温度奥氏体上方的SMA-CG单位完成(T>一个_f使用电阻炉)。加热温度为100°C。描述形状记忆效应(SME) SMA-CG单位加载后通过测量角度θ并计算回收率Δ。代表回收率Δ的方程可以表示如下: 在哪里θ₃后是变暖的角compression-resilience测试。形状记忆效应的示意图如图4。它显示了变化在测试样品的状态。单位压缩时,残余变形,它不能完全反弹。再热后,波纹单位倾向于回到原来的形状。

3所示。结果

3.1。转变温度和老化处理之间的相关性

图5岁的标本显示了典型的DSC曲线在不同温度不同时间。相变的山峰完全老化后明显和尖锐。在DSC曲线,当试样冷却,米_年代和米_f被定义为马氏体相变的起点和终点温度,分别。标本被加热,一个_年代和一个_f被定义为奥氏体相变的起点和终点温度,分别。磁滞(一个_年代- - - - - -米_年代)可以通过不同的温度测量正向和反向转换。样品的热处理在300和400°C, DSC热分析图显示单级转换,(一个°⟶°米)和反向(米°⟶°一个)。的R阶段是明显的样本热处理时500°C。(米°⟶°一个)和(R°⟶°一个)峰值可以被很容易地通过增加老化温度为500°C。为Ni-rich镍钛,R阶段是现在的加热过程中,低于再结晶温度。数据6(一)- - - - - -6 (d)显示热处理温度和时间的影响米_f,米_年代,一个_年代,一个_f温度。见图6(一),米_f温度增加老化后治疗。年龄在300°C,温度升高是小于400和500°C。结果发现,温度改变了老化时间很少。见图6 (b),米_年代老化温度增加。它与老化时间稍微增加400和500°C,而相反在300°C。总的来说,气温低于原样品。的变化一个_年代如图6 (c),它的变化基本上是一致的米_f。见图6 (d),一个_f与老化温度下降在150°C。在400°C,有一个初始的减少一个_f然后迅速增加。老化温度最高,500°C一个_f温度变化显著高于处理在300和400°C。随着老化时间的增长,最多达到79.4°C 60分钟。图6 (e)显示了老化的温度和时间对转换滞后的影响(一个_年代- - - - - -米_年代)。(一个_年代- - - - - -米_年代)温度增加老化后治疗。发现有一个初始的增加(一个_年代- - - - - -米_年代在300年和400年),然后迅速降低°C。有一个最大相变滞后30分钟的400°C。转换滞后只有适度老化时间变化在500°C,和值略低于300年和400°C。

光学显微图呈现在图7显示明显的马氏体,晶界,并与不同尺寸粒子的存在。矩阵结构在室温下观测主要是马氏体、少量的奥氏体。这些粒子似乎更高的密度在500°C样品比300岁和400°C年龄样品。有更大的统一连贯的沉淀22]。

3.2。Shape-Setting和老化处理的结果之间的相关性

SMA-CG单元的几何图形有很强的与老化温度和时间的关系。图8显示单位老化处理后的实物图在不同的温度下10分钟。角θ₁和θ₂代表了前后角变暖在自由状态下,分别。

结果和比较的角度θ₁和θ₂如图9。普通感冒冲压没有shape-setting治疗无法准备SMA-CG单元和角度θ₁为105.5°。见图9(一个)的角度θ₁后的单位不同shape-setting治疗基本上是相同的。他们有接近76.5°,最大和最小之间的差异为1.42°。见图9 (b)的角度θ倾向于增加温暖温度高于奥氏体完成后(T= 100°C)。老化治疗没有设置单位绝对的形状。当老化的治疗方法是在300年和400°C了更长时间,角度θ₂有小。角度改变了仅略有30到60分钟的500°C。见图9 (c)在300°C,可怜的形状维护甚至更久的时间。最大的角θ₂84.37°和最大增量角相比呢θ₁为8.08°。角度400°C 60分钟后更好的维护和增加为1.95°。老化的温度最高,500°C,形状维护效果最好和增量小于1°。

3.3。机械性能和老化处理之间的相关性

图10是总结情节加载后SMA-CG弹性率的单位。图显示应变的弹性波纹单位率降低(20 - 100%)。的趋势基本相同,在不同的治疗温度10岁到60分钟。应变小于70%时,有韧性最高速度300°C,它与老化温度略有下降。有弹性率迅速下降,温度上升;这是最明显的在500°C。应变为40%时,弹性率降低至25%以下,然后是趋势减缓。最后的应变下的利率基本上是相同的,100%。最后率接近20%。

3.4。形状记忆效应和老化处理之间的相关性

讨论了回收率ΔSMA-CG单元的形状记忆效应的特点。这是计算不同老化后治疗和压力。图11在所有情况下都显示了回收率的变化。见图11,所有的回收率Δ与应变下降。它代表了形状记忆效应的减少。最大应变为20%时,复苏率超过98%。发现中小企业改变了只有适度老化时间在300°C。最后的回收率在76.08% - 77.32%的范围。在400°C,有相同的回收率不同老化时间的最大应变小于40%时。如果压力超过40%,有较高的回收率在短时间治疗400°C。最后的回收率在77.93% - 81.15%的范围在400°C。在最高温度,500°C,老化时间对回收率的影响更大SMA-CG单位。中小企业是维护的最佳年龄在500°C 60分钟。 The recovery rate was up to 98% when the maximum strain was 20%. At 500°C, the final recovery rate was in the range of 77.38% to 82.97%.

4所示。讨论

相变峰值有明显的DSC曲线。他们表明,老化后的相变是显而易见的。形成的缺陷和内应力在冷加工使马氏体界面的运动。材料是随着年龄的增大,结构的扩散材料导致毁灭的缺陷(23]。

Shape-setting治疗不仅能使镍钛诺表假设首选的形状,但也可以控制过渡温度精确结构和机械性能。众所周知,亚稳Ti₃倪₄沉淀影响相变温度Ni-rich镍钛形状记忆合金(11,22,24]。在沉淀钛镍含量₃倪₄相变,引起转变温度的变化。有一个最初的下降米_年代然后增加。米_f和一个_年代有一个初始增加然后减少在300°C。米_年代减少在300°C和波动性增加400 - 500°C。低温老化后(300°C),镍钛基体组织沉淀几乎没有增加。然而,相干Ni-rich复合会随着时间沉淀,不导电,马氏体转变(14]。的高峰值一个_f气温在高温老化后,获得500°C。这些影响可以被理解为,简要探索两个因素控制沉淀的成核和增长。在高温下,有足够的热能,允许快速镍和钛原子的扩散矩阵。镍原子聚集沉淀和钛原子转移到TiNi矩阵阶段。相对应的DSC热谱500°C的温度显示多级转换(米°⟶°R R°⟶°一个),表明均匀分布的形成连贯的倪₄“透明国际”₃沉淀。当地成分变化将影响转变温度尽管整体组合仍然是ti - 50.53。%倪。水斗式等。15)获得的最大一个_f在反应中约为425°C。他的研究解释了这一现象。在较低的温度,更高的成核率将会发生的,但是扩散率会降低。这两个过程是平衡的温度(350 - 450°C)实现最大降水率。本文最初的样品是0.27。%倪不到水斗式的。我们看到的高峰值一个_f在500°C。如果温度超过500°C,沉淀溶解。和转变温度会降低镍原子扩散的矩阵(25]。

的镍钛SMA temperature-lagging dual-state温度特征。转换滞后(一个_年代- - - - - -米_年代)与热治疗,处理方法和三元元素。有大的相变滞后(一个_年代- - - - - -米_年代老化后短时间内的300和400°C。转换滞后变化仅略有在500°C。在400 - 500°C一个_年代和米_年代增加。一个_年代增加由于晶格畸变能的释放在老化治疗。有序结构使马氏体在变形过程中弹性应变能积累较少。它需要更多的能量转换到父阶段。米_年代增加,因为晶体老化治疗期间的排序。减少电阻转变的马氏体相造成的结构性缺陷(16]。总之,相变温度可以很容易地调整不同老化时间和温度。更高的一个_f可以实现温度老化时400 - 500°C很长一段时间。此外,一个_f减少老龄化在300 - 400°C在短时间内,但相变滞后的价值(一个_年代- - - - - -米_年代)可以显著增加。

SMA垫圈与波纹结构单元的操作条件下使用高温和起伏的负载。它是在室温下将预张(T<米_f),且工作在较高的温度下(T>一个_f)。它包括在使用中产生的活性恢复形状应力变形起皱而复苏的最初的形状。活性恢复形状强调提供密封的、自动和连续接触法兰表面(3]。在实际应用程序中,转换滞后(一个_年代- - - - - -米_年代)确保温度仍高于马氏体相变开始温度(T>米_年代)尽可能多的操作温度波动。垫片是维护在一个没有马氏体转变的单相奥氏体状态。因此,在500°C长时间老化治疗应该设置为达到较高的工作温度一个_f,当安装温度米_f仍然是在室温下。

shape-setting研究执行的结果表明,老化温度是最关键因素shape-setting(见图9)。老化时间对shape-setting几乎没有影响。镍钛诺表约束在起皱的模具结构。老化治疗这种情况下创建了免费直部分老化条件和约束条件老化弯曲单元的一部分。老化的温度应高于400°C来缓解压力和导致镍钛诺表保留SMA-CG单位时的形状从模具中删除(5]。它可以确保没有重复加热后倾向于回到表;也就是说,能够保持其结构是伟大的。shape-setting结果稳定,当镍钛波纹单位constrain-treated在500°C的模具老化时间超过30分钟。温度500°C的老化时间30 - 60分钟,形状维护效果最好。

SMA-CG单元的弹性率和最大应变下降。弹性率下降速度随着老化温度。见图10弹性率低于25%时,应变为40%。“透明国际”₃倪₄和钛₁₁倪₁₄阶段很容易导致衰老的早期治疗。这些沉积阶段阻碍位错的运动。错位阻力的增加会导致增加强度和临界应力滑移的矩阵。优良的沉淀与矩阵是连贯的。随着老化的温度和时间增加,沉淀相的大小增加,相干性降低,位错阻力减小,加强影响矩阵削弱。这是符合老化处理对相变温度的影响。在老龄化的初期阶段,仍有许多混乱和子结构矩阵,矩阵强度高。因此,它是容易获得伟大的超弹性较低的治疗温度在短时间内。相比之下,超弹性和可恢复性减少(26,27]。图中可以看到10同样的最大应变,弹性波纹率单位年龄在300°C高于400岁和500°C。

SMA-CG形状记忆效应(SME)的特点是,通过测量角度的变化获得的可恢复性θ。有最大的可恢复性,60分钟衰老的治疗方法是在500°C。压力应该控制不超过40%,以保持良好的中小企业。对于中小企业镍钛的合金,有较高的位错密度和材料强度在父在低温老化后阶段。压力诱导马氏体再定位很难发生,导致可怜的形状记忆效应。随着老化温度的升高,父母相中的位错密度减少,和父母相强度降低。在随后的变形、压力诱导马氏体再定位和混乱是容易改变样本的内部压力(28]。沉淀的进步发展阶段与老化温度老化时数量300 - 500°C。的片状钛₃倪₄相粒子增强父阶段和优先定向的马氏体修改样品。的共同作用下,外加应力和连贯的应力场₃倪₄阶段,马氏体变体很容易选择提高单向可逆应变的择优取向(18]。

5。结论

摘要约束老化处理镍钛波纹单元进行了研究。相变温度的结果,shape-setting compression-resilience属性和形状记忆效应。可以看出变换峰值得到明显提高老化温度和时间。更高的一个_f温度可以达到500°C和400°C年龄老化时间长,米_f温度高于室温。老龄化高峰值后得到在500°C。结果表明,合适的shape-setting温度应选用镍钛波纹单位的500°C。shape-setting结果和能力维护单位时的形状稳定在500°C constrain-treated老化时间超过30分钟。SMA-CG单元的弹性率随应变增加而降低。弹性率快老化温度的增加而减少。它减少最快的随着应变的增加在500°C年龄长时间。大多数年龄在单位表现出良好的形状记忆效应的最大应变小于40%时。500°C的最佳温度老化产生预期的波纹单位。最大可恢复性可以保留年龄在500°C 60分钟。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号11772147)。

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