化学成分对铁锰硅合金形状记忆效应的影响

化学成分对铁锰硅合金形状记忆效应的影响孙广平李建忱赵明蒋青宋玉泉(吉林工业大学)摘要研究了三种不同成分的铁锰硅形状记忆合金。结果表明，合金Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni具有较好的形状记忆效应。经训练后，在预变形为4%～9%范围内，相对应变回复率可提高40%左右，绝对应变回复率可达6.2%。关键词铁锰硅合金形状记忆效应化学成分EFFECTOFCHEMICALCOMPOSITIONONSHAPEMEMORYOFFeMnSiSHAPEMEMORYALLOYSUNGuangpingLIJianchenZHAOMingJIANGQingSONGYuquan(JilinUniversityofTechnology)ABSTRACTThreeFe-Mn-Sishapememoryalloyshavebeenstudied.Theresultsshowthatalloy-3havegoodshapememoryeffect.Bytraining,inthepre-strainrange4%～9%,therelativerecoverystraincanbeincreasedby40%,theabsoluterecoverystraincanreach6.2%.TheoptimumcompositionofthealloyisFe14Mn6Si9Ci5NiKEYWORDSFeMnSialloy,shapememoryeffect,chemicalcomposition自从Sato等人在铁锰硅合金中发现形状记忆效应［1］以来，该合金迅速成为人们研究的一个热点，它的主要特点是价格低廉，机械加工性能好。其形状记忆效应的机制不同于其它形状记忆合金［2，3］，是由应力诱发ε马氏体相变的逆转变ε→γ引起的。这类合金中，应用前景较好、形状记忆效应较稳定的是铁锰硅铬镍系合金。其特点是反铁磁转变温度低，在室温下存在降温ε马氏体，且耐腐蚀等。然而在工业应用中所遇到的一些问题，如合金的化学成分对形状记忆效应的影响、提高形状记忆效应的训练方法；绝对应变回复率的提高等，尚未取得一致见解。为此，本文对上述几方面问题进行了探讨和分析。1试验方法及成分设计1.1试验方法试验合金采用工业纯金属配制，在真空感应电炉中熔炼。铸锭经1100℃热轧成8mm厚板材，然后进行1200℃×8h均匀化固溶处理，切割成80mm×8mm×1.0mm的试样，用于测试形状记忆效应。预变形采用弯曲变形，将试样围绕直径为d的圆柱弯曲180°。预变形量(εp)＝t/d×100%，式中，t为试样厚度/mm；d为圆柱直径/mm。合金的形状记忆效应可用几个指标来衡量：相对应变回复率(fsme)，绝对应变回复率(εα)，相对超弹性应变(εse)(包括线弹性应变)。它们的表达式分别为fsme＝θm/(180°-θe)×100%εα＝fsmeεpεse＝θeεp/180°式中，θm为回复退火前后的角度差；θe为弯曲变形卸载前后的角度差。在室温下将试样进行弯曲变形(预变形)，然后在600℃进行回复退火处理0.5h，这时试样产生了回复变形，再在室温下将试样矫直为原始直线状，用夹具压制保持其直线状在600℃保温1h后空冷至室温。该过程称为一次训练。1.2合金的成分设计根据文献［1～5］，为了获得较好的形状记忆效应，一般应满足下列条件。(1)反铁磁转变温度(Tn)应远低于马氏体转变开始点Ms。这样有利于降低铁基形状记忆合金中奥氏体的稳定性，从而便于应力诱发ε马氏体的形成。(2)奥氏体应有较高的强度，较低的层错能。这样有利于合金在较小的变形应力下形成应力诱发ε马氏体，而塑性变形(真实塑性变形)所必需的位错运动则较难进行。(3)应力诱发ε马氏体的晶格常数c/a轴比应接近8/3，以使奥氏体容易转变为ε马氏体。(4)Ms点在室温附近。合金只发生γ→ε转变，而不发生γ→α′马氏体转变，因为α马氏体不具有形状记忆效应。上述条件均可通过改变化学成分来加以改善和调整。锰可以降低Ms，而提高Tn［6］。硅能降低Tn和奥氏体的层错能［6］，但其含量一般不超过6%，因为硅含量过高将导致合金性能变脆，恶化合金的机械加工性能。通过硅和锰含量的合理搭配，可以调整Tn和Ms。考虑到工业应用所需的耐腐蚀性，加入一定量的铬和镍来改善耐腐蚀性能。并且铬可以降低Ms和Tn。为了获得适当的Ms，加入铬的同时，要适当降低锰量。为避免由于铬的加入所引起的σ硬脆相的出现，需要加入适当的镍。加入钴可以降低层错能和Tn［4］，但钴对提高奥氏体强度不利。根据以上分析，本试验共设计了三种不同成分的合金。合金化学成分见表1。2试验结果及分析2.1合金成分对形状记忆效应的影响表1试样的化学成分%Table1Chemicalcompositionofalloys%编号MnSiCrNiCoCSPFe合金118.35.767.607.20—＜0.02≤0.003≤0.003余量合金215.55.898.556.244.90＜0.02≤0.003≤0.003余量合金314.45.878.735.01—＜0.02≤0.003≤0.003余量图1不同成分合金的相对应变回复率的变化曲线Fig.1Thefsmeversuscomposition图1为设计的三种成分合金相对应变回复率(fsme)与预变形量(εp)之间的变化曲线。可见，三种成分合金的fsme均随εp的增加而下降。其中合金2的fsme最低，合金1次之，合金3具有最佳的fsme。含有5%Co的合金2，不能提高合金的形状记忆效应。合金1和2中镍含量较高，导致形状记忆效应降低。根据以上结果，可以将合金成分对形状记忆效应的影响作初步的分析。由于钴元素不能提高奥氏体的强度，虽然它能降低奥氏体的层错能，但又因硅强烈地降低合金层错能的作用，使得钴降低层错能的作用甚微，因此含有5%Co的合金2并不能提高合金的形状记忆效应。含有铬的合金中，必须加入镍以避免σ相的析出，但镍元素具有稳定奥氏体并降低Ms点和增加层错能［7］的作用，故不利于提高合金的形状记忆效应，因此，镍含量较高的合金1和2，其形状记忆效应均较低。锰含量的变化，将改变Ms，导致降温ε马氏体数量的不同。Inagaki指出［3］，只有一端联接在晶界上或者联接在已存在的ε马氏体上的层错，才能在应力作用下扩展和在加热时收缩，从而产生形状记忆效应。因此室温下已存在的ε马氏体可以起到两方面的作用，一是可以像晶界一样提供更多的应力诱发ε马氏体的形核部位，使得产生更多的应力诱发ε马氏体；另一方面又可以避免shockley不全位错的长程移动，从而避免不同的shockley不全位错的交割，而这种交割使shockley不全位错在加热时不能完全回复，因而对形状记忆效应不利。合金3的形状记忆效应较高，原因之一就是锰含量较低，Ms相对较高，室温下存在少量降温ε马氏体［8］。2.2热机械训练对合金形状记忆效应的影响图2为合金3训练后的fsme变化曲线。经过训练后，fsme均有不同程度的提高，尤其在εp为4%～9%范围内，fsme提高幅度较大，达到40%左右。同时还可以看到，经三次训练后，fsme有下降的趋势。图2合金3经训练后的fsme的变化曲线Fig.2Thefsmeofalloy-3aftertraining训练同样也提高了合金1和2的形状记忆效应，但仍低于合金3。图3为合金1和3经两次训练后的绝对应变回复率(εα)和相对超弹性应变(εse)的变化曲线。合金1的εα低于合金3，而εse与合金3的相差不大。当εp为9%时，合金3的εα和εse均出现极大值，分别为6.2%和0.99%，而合金1的εα和εse变化却与合金3不同，只随εp增加而缓慢提高。对比图1～3可知，εp较小时，fsme较高，但其εα有限。当εp为9%时，εα出现极大值，为6.2%。在高的εp条件下，虽然出现层错间的交互作用和位错移动而导致真实塑性变形，但εα增加，这一点对工业应用将是十分重要的。从工业应用的角度出发，小变形时对应的高的形状记忆效应并不很实用，而对工业应用有实际意义的图3合金1和3经两次训练后的εα和εse的变化曲线Fig.3Thεαandεseofalloy-1andalloy-3aftertwicetraining还是获得高的绝对应变回复率。为了分析训练对形状记忆效应的影响，进行了金相观察，发现训练后的合金3中出现了较多的第二相和残余的ε马氏体，而在相同条件下，合金2的ε马氏体较少，合金1中未发现ε马氏体。通过磁性测量表明，合金3在3次训练后出现了铁磁性的α马氏体，6次训练后，α数量更多，而此时的fsme则降低到未训练前的水平。其它两种合金经训练后的α数量相对较少。据笔者分析，训练提高形状记忆效应的原因在于训练过程中的600℃退火，为某种马氏体变体提供了更有效的形核部位，使之在预变形时产生更多的且位向一致的应力诱发ε马氏体，这种位向一致的应力诱发ε马氏体在回复退火时发生ε→γ转变，能充分发挥形状回复的效果，从而提高形状记忆效应。而随训练次数增多，组织中开始出现α马氏体，导致形状记忆效应开始下降。3结论(1)Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni合金具有较好的形状记忆效应，其绝对应变回复率可达6.2%。(2)训练可提高形状记忆效应40%左右(在εp为4%～9%范围内)，但训练次数超过2次，形状记忆效应将开始下降。参考文献1SatoA,ChishimaE,YamajiY,etal.OrientationandCompositionDependencesofShapeMemoryEffectinFe-Mn-SiAlloys.ActaMetall,1984,32:539.2OtsukaH,YamadaH,MaruyamaT,TanahashiH,etal.EffectsofAlloyingAdditionsonFe-Mn-SiShapeMemoryAlloys.ISIJInternational,1990,30:674.3IngakiH.ShapeMemoryEffectofFe-14%Mn-6%Si-9%Cr-6%NiAlloyPolycrystals.Z.Metallkd.1992,83:90.4HamersAAH,WaymanCM.ShapeMenoryBehaviorinFe-Mn-CoAlloy.ScriptaMetallMater,1991,25:27.5GuQ,FederzoniL,JangWY.γ→εandγ→ε→αTransformationinaFe-Mn-SiBasedShapeMemorySteel.SMM-94.ChuY,HuH.Beijing:InternationalAcademicPublishers,1994.488.6MurakamiM,SuzukiH,AkantraYN.EffectofSilicontheShapeMemoryEffectofPolycrystallineFe-Mn-SiAlloys.TransactionsISIJ,1987,27:B87.7［美］唐纳德*皮克纳，I.M.伯恩斯坦.不锈钢手册.北京：机械工业出版社，1987.123.8李建忱，赵明，蒋青.训练对Fe14Mn6Si5Ni合金形状记忆效应的影响.金属热处理学报，1996，17：41.