專利名稱：一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種金屬塑性成形領(lǐng)域的金屬成形方法。
背景技術(shù)：
鎳鈦形狀記憶合金因?yàn)榫哂辛己玫男螤钣洃浶?yīng)和超彈性，已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鎳鈦形狀記憶合金的塑性成形是制造鎳鈦形狀記憶合金線材、棒材、管材、 帶材和板材必不可少的手段，而塑性成形對(duì)鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性等力學(xué)性能具有重要的影響。尤其是鎳鈦形狀記憶合金的冷塑性成形，隨著變形程度的不同， 可能導(dǎo)致高密度孿晶、位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)、納米晶和非晶的產(chǎn)生，這將會(huì)抑制馬氏體相變而影響鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，但經(jīng)過(guò)后續(xù)一定熱處理之后，納米晶化的鎳鈦形狀記憶合金在保留一定的形狀記憶效應(yīng)之后，會(huì)表現(xiàn)出良好的超彈性和較高的力學(xué)性能。因此，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開始致力于鎳鈦形狀記憶合金冷變形條件下的大塑性變形(SPD) 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的納米晶化和非晶化，主要有高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、冷軋和冷拔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供不需要專有設(shè)備、成本較低的一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是(1)將鎳鈦形狀記憶合金加工成圓柱形狀，以過(guò)盈配合的方式裝配到高度為鎳鈦形狀記憶合金高度40% 60%的金屬包套中，并使鎳鈦形狀記憶合金上下兩端露出金屬包套的部分高度相等，然后將鎳鈦形狀記憶合金的兩端涂上石墨；(2)將裝配好的鎳鈦形狀記憶合金和金屬包套固定在壓力機(jī)上的上下砧之間，然后進(jìn)行壓縮變形，在壓縮變形初期，包套未與上下砧接觸，只有鎳鈦形狀記憶合金發(fā)生壓縮變形，鎳鈦形狀記憶合金處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)鎳鈦形狀記憶合金的壓縮變形程度達(dá) 70%以上時(shí)，鎳鈦形狀記憶合金發(fā)生非晶或納米晶化，從而制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金；(3)將制備好的材料放在沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金從金屬包套中沖下， 實(shí)現(xiàn)料套的分離。本發(fā)明還可以包括1、在壓縮變形時(shí)，先將鎳鈦形狀記憶合金壓縮到變形程度為40% 60%，在金屬包套發(fā)生軸向壓縮變形前停止壓縮，然后采用沖模將鎳鈦形狀記憶合金從包套金屬中分離出，進(jìn)行圓度平整之后，再次進(jìn)行局部包套，并重復(fù)進(jìn)行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度。
2、壓縮變形時(shí)以不小于0. 05秒-1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于1.該方法只需簡(jiǎn)單的模具在普通的液壓機(jī)上即可制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金塊體材料，不需要專有設(shè)備，成本較低。2.在包套壓縮過(guò)程中，鎳鈦形狀記憶合金始終處于三向壓應(yīng)力的狀態(tài)，可以顯著提高鎳鈦形狀記憶合金的塑性，實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金較大的冷塑性變形。3.該方法采用局部包套壓縮的形式，在保證金屬包套不發(fā)生軸向壓縮塑性變形的條件下，可以重復(fù)進(jìn)行包套壓縮，只需較小噸位的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的大塑性變形，制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金大塊體材料。4.將實(shí)際生產(chǎn)中較大的鎳鈦形狀記憶合金包套試樣，縮小一定的比例，在 INSTR0N萬(wàn)能材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，可以有效地分析金屬流動(dòng)規(guī)律、計(jì)算變形力，極大地節(jié)約生產(chǎn)成本。5.對(duì)于局部包套壓縮制備得到的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金，通過(guò)普通的熱處理便可以實(shí)現(xiàn)非晶鎳鈦形狀記憶合金的納米晶化。


圖1為本發(fā)明的鎳鈦形狀記憶合金局部包套壓縮基本原理圖；圖2為鎳鈦形狀記憶合金重復(fù)局部包套壓縮示意圖，圖加第一次包套后試樣；圖 2b第一次壓縮后；圖2c第一次分離后；圖2d第二次包套后試樣；圖2e第二次壓縮后；圖 2f第二次分離后；圖3為局部包套壓縮制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金實(shí)施例圖，圖3a為壓縮前，圖北壓縮后；圖4為局部包套壓縮制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的TEM圖，圖如為明場(chǎng)像，圖4b選區(qū)電子衍射；圖5為經(jīng)過(guò)熱處理晶化后的納米晶鎳鈦形狀記憶合金的TEM圖，圖fe為明場(chǎng)像， 圖恥選區(qū)電子衍射。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1 5，本發(fā)明提出的采用局部包套壓縮形式實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的大塑性變形，來(lái)制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的基本原理如圖1所示。將鎳鈦形狀記憶合金2置于金屬包套3中，通過(guò)選擇高塑性、低強(qiáng)度的包套金屬材料，并使上下砧板1和4與鎳鈦形狀記憶合金之間進(jìn)行良好地潤(rùn)滑，及有效地控制金屬包套 3在壓縮變形過(guò)程中的尺寸，使鎳鈦形狀記憶合金2處于較強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高鎳鈦形狀記憶合金2的塑性。對(duì)于尺寸較小的鎳鈦形狀記憶合金塊體材料，可以通過(guò)一次性壓縮，包套參與塑性變形，來(lái)實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金2的大塑性變形，制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合
^^ ο為節(jié)省設(shè)備壓力，對(duì)于尺寸較大的鎳鈦形狀記憶合金塊體材料，可以通過(guò)重復(fù)包套壓縮實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金2的大塑性變形，每次壓縮變形都是在包套金屬3發(fā)生軸向壓縮變形前即停止，即包套金屬3的軸向不發(fā)生壓縮變形，只會(huì)因鎳鈦形狀記憶合金2的鐓粗變形迫使其在徑向和切向發(fā)生塑性變形，這樣，上下砧板1和4只會(huì)與鎳鈦形狀記憶合金 2的端面發(fā)生接觸，從而使得變形的投影面積大大減小，節(jié)省了很多壓力，該過(guò)程的基本原理如圖2所示。具體過(guò)程為將局部包套的鎳鈦形狀記憶合金放在上下砧板間進(jìn)行壓縮， 使上下砧板1和4與鎳鈦形狀記憶合金2的上下端面處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，當(dāng)鎳鈦形狀記憶合金2完全壓入金屬包套3之后，第一次包套壓縮停止；然后通過(guò)機(jī)械壓力手段取出，進(jìn)行圓度平整之后，再次進(jìn)行局部包套，并重復(fù)進(jìn)行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度，實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的完全非晶/納米晶化。最后對(duì)制備的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金，通過(guò)合適的熱處理來(lái)制備完全的納米晶鎳鈦形狀記憶合金。本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程分為三個(gè)階段準(zhǔn)備階段、壓縮變形階段和料套分離階段。準(zhǔn)備階段將鎳鈦形狀記憶合金2加工成具有一定直徑和高度的圓柱，然后以過(guò)盈配合的方式裝配到具有一定外徑、高度為鎳鈦形狀記憶合金2高度50 %的金屬包套3中， 并使鎳鈦形狀記憶合金2上下兩端露出金屬包套3的部分高度相等，這里所選擇的包套金屬材料應(yīng)具有高塑性、低強(qiáng)度的特點(diǎn)。然后將鎳鈦形狀記憶合金2的兩端涂上石墨以便壓縮時(shí)有良好的潤(rùn)滑。壓縮變形階段將準(zhǔn)備好的材料放在固定在壓力機(jī)上的上下砧1和4之間，然后以較快的應(yīng)變速率(一般為0. 05以上)進(jìn)行壓縮變形。在壓縮變形初期，由于包套3未與上下砧1和4接觸，只有鎳鈦形狀記憶合金2發(fā)生壓縮變形，這樣緊包在外面的金屬包套3便會(huì)使鎳鈦形狀記憶合金2處于較強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，從而顯著提高鎳鈦形狀記憶合金2 的塑性。當(dāng)鎳鈦形狀記憶合金2的壓縮變形程度達(dá)70%以上時(shí)，便可使心部金屬因劇烈的塑性變形而發(fā)生非晶或納米晶化，從而制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金。料套分離階段將發(fā)生劇烈變形后的材料放在簡(jiǎn)易沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金2從金屬包套3中沖下便可實(shí)現(xiàn)料套的分離。當(dāng)制備尺寸較大的鎳鈦形狀記憶合金塊體非晶/納米晶材料時(shí)，可按下列步驟進(jìn)行。將局部包套的鎳鈦形狀記憶合金放在上下砧板間進(jìn)行壓縮，使上下砧板1和4與鎳鈦形狀記憶合金2的上下端面處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，先將鎳鈦形狀記憶合金壓縮到變形程度為50%，即在金屬包套發(fā)生軸向壓縮變形前停止壓縮，然后采用簡(jiǎn)易沖模將鎳鈦形狀記憶合金2從包套金屬3中分離出，進(jìn)行圓度平整之后，再次進(jìn)行局部包套，并重復(fù)進(jìn)行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度(一般累積變形程度為70%以上)，實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的完全非晶/納米晶化。最后對(duì)制備的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金，通過(guò)合適的熱處理來(lái)制備完全的納米晶鎳鈦形狀記憶合金。以過(guò)盈配合的方式，將直徑為4、高度為6的鎳鈦形狀記憶合金圓柱試樣裝入外徑為10、高度為3的低碳鋼金屬套中，在室溫下放在INSTR0N機(jī)上進(jìn)行一次性壓縮變形，變形程度為75%，如圖4所示，在透射電鏡(TEM)下觀察表明，鎳鈦形狀記憶合金已經(jīng)發(fā)生了完全的非晶化/納米晶化，如圖5所示。將包套壓縮大塑性變形制備的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金在300°C保溫2個(gè)小時(shí)，便可以實(shí)現(xiàn)非晶鎳鈦形狀記憶合金的晶化，制備完全的納米晶鎳鈦形狀記憶合金。
權(quán)利要求
1.一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是(1)將鎳鈦形狀記憶合金加工成圓柱形狀，以過(guò)盈配合的方式裝配到高度為鎳鈦形狀記憶合金高度40 % 60 %的金屬包套中，并使鎳鈦形狀記憶合金上下兩端露出金屬包套的部分高度相等，然后將鎳鈦形狀記憶合金的兩端涂上石墨；(2)將裝配好的鎳鈦形狀記憶合金和金屬包套固定在壓力機(jī)上的上下砧之間，然后進(jìn)行壓縮變形，在壓縮變形初期，包套未與上下砧接觸，只有鎳鈦形狀記憶合金發(fā)生壓縮變形，鎳鈦形狀記憶合金處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)鎳鈦形狀記憶合金的壓縮變形程度達(dá)70% 以上時(shí)，鎳鈦形狀記憶合金發(fā)生非晶或納米晶化，從而制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金；(3)將制備好的材料放在沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金從金屬包套中沖下，實(shí)現(xiàn)料套的分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是在壓縮變形時(shí)，先將鎳鈦形狀記憶合金壓縮到變形程度為40% 60 %，在金屬包套發(fā)生軸向壓縮變形前停止壓縮，然后采用沖模將鎳鈦形狀記憶合金從包套金屬中分離出，進(jìn)行圓度平整之后，再次進(jìn)行局部包套，并重復(fù)進(jìn)行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是壓縮變形時(shí)以不小于0. 05秒―1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，包括以下步驟將鎳鈦形狀記憶合金加工成圓柱形狀，以過(guò)盈配合的方式裝配到高度為鎳鈦形狀記憶合金高度40％～60％的金屬包套中，然后將鎳鈦形狀記憶合金的兩端涂上石墨；將裝配好的鎳鈦形狀記憶合金和金屬包套固定在壓力機(jī)上的上下砧之間，然后進(jìn)行壓縮變形，當(dāng)鎳鈦形狀記憶合金的壓縮變形程度達(dá)70％以上時(shí)，鎳鈦形狀記憶合金發(fā)生非晶或納米晶化，將制備好的材料放在沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金從金屬包套中沖下，實(shí)現(xiàn)料套的分離。本發(fā)明不需要專有設(shè)備，成本較低，可以顯著提高鎳鈦形狀記憶合金的塑性，實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金較大的冷塑性變形。
文檔編號(hào)C22C45/04GK102383080SQ20111034741
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者唐明, 張艷秋, 江樹勇, 胡勵(lì), 趙立紅 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)