铜基形状记忆合金的成分及性能研究.doc

1、铜基形状记忆合金的成份及性能研究摘要:近年来,新型功能材料的研究一直是材料研究领域的热点之一，而形状记忆合金则是近年来研究较多的一种新型功能材料，形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的Cu基形状记忆合金是一种性能优良，造价低廉的功能材料，形状记忆效应的好坏和稳定性是决定铜基形状记忆合金工业实用性的关键指标与Ni-Ti合金相比，铜基合金具有相变温度可调范围宽，导电性能好，加工性能良好，原料来源广泛，生产工艺简单，成本低廉等优点，一直是人们研究的重点。 本文主要通过查阅文献资料的方法介绍了形状记忆合金的研究和发展，之后详细的介绍Cu-Al-Ni，Cu-Al-Mn，Cu-Zn

2、-Al这3种Cu基形状记忆合金的性质。Cu基形状记忆合金的制造方法，热处理，耐热稳定性等等做出研究。关键词：形状记忆合金；形状记忆效应；马氏体相变；Cu-Al-Ni合金 Composition and properties of copper-based shape memory alloysAbstraetAbstract:The research on the new functional material has been one of the focuses of the material research field in recent years,and shape memorya

3、lloys are studied more among them.Shape memory effect is formed through phase teansformation inducted by the temperature or the press. Cu-ZN-AL alloy is another kind of yseful shape memory alloy following Ni-Ti alloy. The crucial parameters for engineering application of copper-based shape memory al

4、loys are shape memory effect and its stability. Compared with Ni-Ti alloys,Cu-based alloys have such advantages as the wide sources of raw materials,simple preparation technology,low cost,wide range of transformation temperature,good electic conduction and so on.This paper describes the research and

5、 development of shape memory alloys through access to literature methods, detailed description of the nature after the Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn, Cu-Zn-Al these three kinds of Cu-based shape memory alloys. Manufacturing method of Cu-based shape memory alloys, heat treatment, thermal stability, etc. make re

6、search.Keywords：Shape memory alloys，Shape memory effect，Martensite ransofrmation， CuAlNi alloy 目 录 1前言11.1形状记忆合金材料的应用2 1.2形状记忆合金的应用领域2 1.3机械电气产品中的应用2 1.4宇航工业中的应用3 1.5卫生医疗中的应用3 1.6日常生活中的应用42铜基形状记忆合金5 2.1形状记忆合金原理5 2.2形状记忆合金主要成份5 2.3Cu-Al-N高温形状记忆合金6 2.3.1Cu-Al-N系记忆合金母相时效效应6 2.3.2Cu-Al-N系记忆合金热循环特性7 2.3.

7、3Cu-Al-Ni-Mn-(X)系记忆合金7 2.3.4Cu-Al-Ni-Mn-(X)系记忆合金母相时效效应7 2.3.5Cu-Al-Ni-Mn-(X)系记忆合金热循环特性8 2.4Cu-Al-Mn高温记忆合金的研究8 2.4.1Cu-Al-Mn高温记忆合金母相时效效应8 2.4.2Cu-Al-Mn高温记忆合金热循环特性9 2.5Cu-Zn-Al形状记忆合金的研究10 2.5.1热处理对Cu-Zn-Al形状记忆合金单程形状记忆效应的影响103铜基形状记忆合金的制造方法154热处理对铜基形状记忆合金晶粒大小和相变点的影响16 4.1试验材料与方法16 4.2固溶处理对合金晶粒尺寸的影响17 4.

8、3固溶处理对合金马氏体转变点(Ms)的影响18 4.4时效温度对合金马氏体转变点Ms的影响195铜基形状记忆合金耐热稳定性的研究20 5.1铜基形状记忆合金母相时效效应20 5.2铜基形状记忆合金热弹性马氏体的稳定化效应21 5.3铜基记忆合金热循环效应25结论27 参考文献28 致谢31I 1前言 形状记忆效应是张禄经和Read在1951年在AuCd合金中最早观察到的的,直到1963年Buehler的课题组在NITi合金中发现了类似的形状记忆效应之后,才真正引起很多科学家的重视。1969年,由Ryahcem公司首次将NITi作为管接头应用于美国F14战斗机的发动机上.该应用大大激励了国际上形

9、状记忆合金的研究与开发,并相继发现CuZnAI,CuAINi和铁基合金具有工业应用的可能,且进行了商业开发。目前形状记忆效应的研究在数量上已经跃居马氏体相变研究的首位。形状记忆合金的应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、医学、农业、机器人以至日常用品等领域.据不完全统计,目前世界上关于形状记忆合金的专利已超过5000项。在应用领域,其发展阶段大致经历了NITi合金的开发应用(6080年代),Cu基合金的开发应用(7080年代)和Fe基合金的开发应用(8090年代)。近年来形状记忆合金研究所取得的进展也主要体现在为NITi,Cu基和Fe基形状记忆合金开发应用所进行的基础研究及新型合金特别是高温

10、形状记忆合金的探索上。在NITi,Cu基和Fe基形状记忆合金中,形状记忆行为产生的原因是各不相同的。就117NTi和Cu基形状记忆合金而言,主要是热弹性马氏体中其相变具有晶体学的可逆性以及不同马氏体变体间的自协调,而母相是有序的。转变方式可以是以孪晶为不变点阵切变(形成全部为孪晶的亚结构),如NITi合金;或以层错作为不变点阵切变,如CuZnAI合金.就Fe基形状记忆合金而言,如FeMnsi,FeNIC等合金,其母相为无序,转变也是非热弹性的,其形状记忆效应是通过应力诱发产生的Shockley不全位错的可逆移动导致(hPc)y(fcc)的马氏体相变及(hPc)y(fcc)的逆相变y马氏体相变机

11、制较简单,马氏体为密排六方结构,与面心立方奥氏体层错错排堆垛方式相同。变形通过层错中的Shockley不全位错的移动完成，据最新的研究表明,凡具有马氏体相变的材料在一定条件下都可望呈现形状记忆效应,这也是目前一个重要的发展方向,即高温形状记忆合金,而且形状记忆效应也不再局限于金属材料,在陶瓷、塑料甚至生物中都观察到了马氏体相变和形状记忆效应。但是目前还不能确定成分、母相、结构、马氏体形态和形状记忆特性之间的关系,有待于在更多的实验基础上加以总结,发掘其内在规律。1.1形状记忆合金材料的应用1.2形状记忆合金的应用领域 目前,形状记忆合金材料的应用领域相当广泛,包括电子、机械、能源、宇航、医疗及

12、日常生活用品等多方面。具有形状记忆效应的合金系已达20多种,主要材料包括:Au-Cd合金、In-Ti合金、NiTiNb合金、铁基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、TiNi系合金、TiNiFe、TiNiCu、TiNiV、TiNiC、TiNiCuR、TiNiPd等,其中得到实际应用的集中在TiNi系合金与CuZnAl等合金。1.3机械电气产品中的应用 1970年美国用形状记忆合金制作F-14战斗机上的低温配合连接器,随后有数以百万以上的连接件的应用。形状记忆合金作为低温配合连接件在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电力工业产品中应用。宽热滞NiTiNb合金的出现使形状记忆合金连接件和联接装置更

13、有吸引力。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝,可用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种连接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程和机械装置,并能在-65300可靠地工作。已开发出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。体积小且可靠性高的低温接头的结构是由一个形状记忆环紧贴着带内孔的铜合金的电气接头上的指针,当冷却到Mf点温度以下时,铍铜指针产生足够的力打开接头。计算机连接大电路板的互连电缆需要一个接头,该接头在接触电阻降至最低时关闭会产生强力,可防止电缆损坏。形状记忆合金在早期的自动化方面的应用是一个可打开和关闭快门的弹簧,它可用作保护雾灯免受飞行碎片的击伤。另一项应用是BEN

14、Z汽车自动的形状记忆合金弹簧驱动器,它是控制液体流向的;最近在发动机中应用的是柴油机喷嘴的密封件,加工中需要在喷嘴外壁和内壁钻一个小孔连接两个汽缸,完成后需要密封外壁孔,以往用铜焊密封塞子不够可靠。现已用预拉伸和精密研磨的具有恢复形状的销子插入孔中是很成功的。这一技术使装配过程十分容易,用NiTiNb合金制作的销子,在200以下形状恢复都非常有效,而且避免了铜焊引起的变形。1.4宇航工业中的应用 形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件,欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制,其噪声和震动的

15、来源主要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置,使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器,它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置,使其震动降到最低。这种装置的定位准确性在7.5范围内为0.25在太空方面,俄罗斯制作的形状记忆合金装置已达到了实用水平,如用于空间计划的大型天线和MIR空间站天线杆的连接与装配。在美国,太空计划应用形状记忆合金的驱动插销释放发射后的有效载荷,也已证实是成功的。脆性插销用在预压气缸中,当形状恢复时引起有凹口的插销断裂,它比常规的爆炸释放装置要安全得多。另外,在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置,该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。1.5卫生医疗中的应