專利名稱：形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于形狀記憶合金技術(shù)領域，具體涉及一種形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金和制備方法。用該方法制備的形狀記憶合金的形狀記憶功能大大增強，可在驅(qū)動機構(gòu)，緊固連接元件及傳感元件等領域獲得應用。
背景技術(shù)：
自從發(fā)現(xiàn)FeMnSi單晶具有形狀記憶效應的二十多年來，人們又相繼開發(fā)出耐蝕FeMnSiCr和FeMnSiCrNi系記憶合金。但遺憾的是，這些合金均還未進入實質(zhì)化的應用階段。究其原因，主要是因這些合金的可恢復形變僅為1.5～2％，不能達到工程應用大于3％的要求。為了改變這種狀況，科學工作者進行了大量研究后發(fā)現(xiàn)，合金的形狀記憶效應來源于應力誘發(fā)奧氏體γ→ε馬氏體相變及其可逆逆轉(zhuǎn)變。因而要提高合金的形狀記憶效應，一是要增加奧氏體基體滑移變形臨界應力σs與應力誘發(fā)ε馬氏體相變臨界應力σγ→ε之間的差值Δσ；二是要增加應力誘發(fā)ε馬氏體的可逆逆轉(zhuǎn)變性。
滿足增加Δσ的要求就意味著材料的變形盡量由應力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變來承擔，從而才能避免全位錯滑移產(chǎn)生的不可恢復變形——塑性變形。滿足增加應力誘發(fā)ε馬氏體的可逆逆轉(zhuǎn)變性的要求就意味著相變導致變形中可恢復部分的增加。
目前國內(nèi)外的科學工作者根據(jù)形狀記憶合金形狀回復應變提高的原理，研究并公開報道了一些可用來提高合金的形狀記憶效應的方法。如Gu.Q等人(Scripta Metall，1994，Vol30，P1587)報道的熱機械循環(huán)訓練方法。該方法是指在室溫下施加2～3％的變形，然后在逆相變點以上的600℃附近退火并反復進行多次處理的過程。熱機械循環(huán)訓練方法由于引入的晶體缺陷，一方面提高了奧氏體基體滑移變形的臨界應力σs，同時又降低了應力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變的臨界應力σγ→ε，因而增加了它們之間的差值Δσ；另一方面，熱機械循環(huán)訓練后，ε馬氏體以區(qū)域化的方式形成，增加了ε馬氏體的可逆逆轉(zhuǎn)變性，因而，熱機械循環(huán)訓練可顯著提高合金的形狀記憶效應。但是這種處理方法過于繁瑣，且同時也增加了制造成本。又如文玉華、李寧等(金屬熱處理，2000，6，P274)報道的不變形直接時效方法和Zhao等人(Scripta Metall，1998，Vol38，P1163)報道的合金化方法。這兩種方法由于其只能增加奧氏體基體滑移變形臨界應力σs與應力誘發(fā)ε馬氏體相變臨界應力σγ→ε之間的差值Δσ，因而其提高的效果都不十分顯著。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)存在的問題，提供一種形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金。本發(fā)明的另一目的是提供制備這種形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金的方法，該方法可使合金獲得較高的形狀回復應變。
本發(fā)明提供的形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金，該合金含有Mn、Si、Cr、Ni、C、Fe元素，其特征在于奧氏體晶粒內(nèi)有方向性析出的Cr23C6第二相。本發(fā)明提供的這種形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金是由本發(fā)明提供的方法制備的，該制備方法是將熔煉獲得含有一定化學成份配比的Mn、Si、Cr、Ni、C、Fe的合金經(jīng)鑄造或鍛造或冷軋或熱軋或冷拉的型材，在＞1050℃下固溶處理至少0.5小時后，再在650～1050℃下進行時效處理，其特征在于該合金的化學成份Mn 10～25％，Si 3～7％，Cr 4～16％，Ni 3～8％，C 0.06～0.3％(均為重量百分比)，余量為Fe；時效處理前須將型材在室溫下進行變形，型材的變形量為5～25％，優(yōu)選5～15％。由于本發(fā)明采用變形后再時效的方法，因而使時效析出的第二相沿某個特定方向析出，并將奧氏體晶粒分割成若干區(qū)域，如圖1所示。正是由于第二相粒子的分割作用，應力誘發(fā)奧氏體γ→ε馬氏體相變時，ε馬氏體也以區(qū)域化方式形成，因而提高了ε馬氏體的可逆逆轉(zhuǎn)性。另一方面時效析出的第二相又可顯著強化奧氏體基體的σs，從而也就增加了其與σγ→ε之間的差值Δσ，因而顯著提高了合金的形狀回復應變。
變形后時效要能析出第二相，合金中必須含有第二相易形成元素。合金中碳化物是最容易形成的一種第二相，因此本發(fā)明打破了通常FeMnSiCrNi系合金的碳含量＜0.02％(屬超低碳合金)的常規(guī)(Bergeon，Kajiwara and Kikuchi Acta Materialia，2000，48，P4053和劉慶鎖，趙連城，材料工程，2000，6，P39)，而采用了較高的碳含量0.06～0.3％。由于合金含有足夠的碳和鉻，因而經(jīng)變形后時效就可在奧氏體晶粒內(nèi)有方向性地析出Cr23C6第二相。
本發(fā)明制備方法中時效處理優(yōu)選在750～950℃下處理2～6小時；固溶處理的溫度優(yōu)選1050～1200℃，時間優(yōu)選0.5～2小時。
四

圖1為本發(fā)明變形后時效合金組織形態(tài)示意圖；圖2為時效方法對合金形狀回復率的影響；圖3為熱機械循環(huán)訓練對合金形狀回復率的影響；圖4為本發(fā)明變形后時效的合金掃描電鏡照片；圖5為不變形直接時效的合金掃描電鏡照片；圖6為本發(fā)明變形后時效合金的X-Ray衍射譜。
五具體實施例方式
下面給出實施例，以對本發(fā)明作進一步說明。值得指出的是，給出的實施例不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整仍應屬于本發(fā)明保護范圍。
實施例1～9將熔煉后分別獲得的含有如附表所列的化學成份的合金經(jīng)冷拉成φ1.5mm的絲材，在1150℃下固溶處理0.5小時，然后在室溫下分別經(jīng)過5％、10％、15％的變形后，再在850℃下進行時效處理不同時間，最后采用彎曲變形的方法測定在不同時間的形狀回復率，所得的最大形狀回復率結(jié)果見附表。
比較例1將通過熔煉后獲得的含有Mn 13.53％、Si 4.86％、Cr 8.16％、Ni 3.82％、C 0.16％，余量為Fe的合金經(jīng)冷拉成φ1.5mm的絲材，在1150℃下固溶處理0.5小時，然后在850℃下不變形直接進行時效處理不同時間，并采用彎曲變形的方法測定在不同時間的形狀回復率，所得的最大形狀回復率結(jié)果見附表。
比較例2將通過熔煉后獲得的含有Mn 13.53％、Si 4.86％、Cr 8.16％、Ni 3.82％、C 0.16％，余量為Fe的合金經(jīng)冷拉成φ1.5mm的絲材，在1150℃下固溶處理0.5小時，然后采用目前最佳的中間退火溫度650℃進行熱機械循環(huán)訓練，并采用彎曲變形的方法測定在不同訓練次數(shù)的形狀回復率，所得的最大形狀回復率結(jié)果見附表。
附表

從附表中可以看出①本發(fā)明采用室溫下經(jīng)變形后再時效處理的方法可使合金獲得良好的形狀記憶效應，較之不變形直接時效法和熱機械循環(huán)訓練法制造的合金均有較大程度的提高，尤其是較不變形直接時效法提高得較多，最高可達72％，因而不僅可取代效果較差的不變形直接時效法和處理過于繁瑣的熱機械循環(huán)訓練法，還可大大節(jié)約制造成本。②本發(fā)明室溫下10％變形后再時效處理合金所獲的最大形狀回復率最高，且所需的時效時間最短，這還可以進一步縮短制造周期，節(jié)省能源，降低制造成本。
此外，由于本發(fā)明合金中碳含量較高，就可不用真空感應電爐進行熔煉，而采用非真空感應電爐熔煉，這也可大大降低合金的制造成本。
為了更直觀反映兩種不同時效方法以及熱機械循環(huán)訓練對合金形狀回復率的影響，本發(fā)明對實施例2和比較例1、2所作的測試結(jié)果繪成圖形給出，見圖2和圖3。
本發(fā)明為了考察變形后時效和不變形直接時效處理后合金的微觀形態(tài)，分別對實施例2和比較例1的樣品作了掃描電鏡測試，照片見圖4和圖5。通過觀察和分析，變形后時效析出的第二相粒子為Cr23C6(這可從圖6的X-Ray衍射譜中得到驗證)，其在奧氏體晶粒內(nèi)沿某個特定的方向析出，見圖4；而不變形直接時效法，雖也有第二相析出，但析出相主要沿晶界析出，且析出位置無方向性，其數(shù)量也沒有變形后時效析出得多，見圖5。
權(quán)利要求
1.一種形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金，該合金含有Mn、Si、Cr、Ni、C、Fe元素，其特征在于奧氏體晶粒內(nèi)有方向性析出的Cr23C6第二相。
2.一種制備權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金的方法，是將熔煉獲得含有化學成份Mn、Si、Cr、Ni、C、Fe的合金經(jīng)鑄造或鍛造或冷軋或熱軋或冷拉的型材，在＞1050℃下固溶處理至少0.5小時后，再在650～1050℃下進行時效處理，其特征在于該合金的化學成份Mn 10～25％，Si 3～7％，Cr 4～16％，Ni 3～8％，C 0.06～0.3％(均為重量百分比)，余量為Fe；時效處理前須將型材在室溫下進行變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金的制備方法，其特征在于型材的變形量為5～25％。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金的制備方法，其特征在于型材的變形量為5～15％。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的形狀記憶合金的制備方法，其特征在于時效是在750～950℃下處理2～6小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的形狀記憶合金的制備方法，其特征在于固溶處理的溫度為1050～1200℃，時間為0.5～2小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形狀記憶合金的制備方法，其特征在于固溶處理的溫度為1050～1200℃，時間為0.5～2小時。
全文摘要
本發(fā)明提供的形變誘導時效型鐵基形狀記憶合金，其特征是奧氏體晶粒內(nèi)有方向性析出的Cr
文檔編號C22C38/58GK1399002SQ02133699
公開日2003年2月26日 申請日期2002年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者文玉華, 李寧, 胥永剛 申請人:四川大學