Ni-Mn-Ga系高温形状记忆合金相变特性及力学性能研究

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近年来,Ni-Mn-Ga基高温形状记忆合金由于其优异的热稳定性和较高的相变特征温度吸引了国内外学者的广泛关注,有望成为新一代的智能驱动材料。然而在室温条件下其塑性较差,在一定程度上限制了其应用。为提高其塑性并兼顾形状记忆效应,本论文系统研究了 Ni、Dy分别部分替代Ga形成的Ni54+xMn25Ga21-x(x=0、1、2、3、4)和Ni54Mn25Ga21-xDyx(x=0.1、0.3、0.5)两类合金的显微结构、马氏体相变特性、强塑性及其形状记忆效应,并研究了后者的超弹性,获得如下主要结果:Ni替代Ga时,晶体的微观组织发生明显改变。当x<3时,Ni54+xMn25Ga21-x合金的显微组织为单相四方马氏体结构;当x≥3时,呈现马氏体相和面心立方γ相构成的双相结构;Dy可显著细化晶粒。电子背散射衍射(EBSD)分析表明:每个马氏体集群由四个不同取向的变体组成,这四种马氏体间存在I型和II型孪晶关系,而横向界面的马氏体变体没有孪生关系。将Ni55Mn25Ga20合金样品压缩至4%应变后卸载,大部分晶粒内部变为只有一种取向的马氏体变体群,具有很强的织构性。两种合金体系均发生一步热弹性马氏体相变。由于马氏体相中合金元素电子浓度和原子尺寸因素的影响,马氏体相变温度随Ni含量增加而逐渐提高,马氏体相变跨越的温度区间为247~455℃;Dy的添加则大幅降低了马氏体相变特征温度,从Ni54Mn25Ga21合金的247℃降至Ni54Mn25Ga20.5Dy0.5合金的 103℃。适当提高Ni含量,可在马氏体片层岛界面处产生塑性γ相,从而显著改善Ni-Mn-Ga的力学性能,但在相同预应变下,形状记忆回复率随Ni含量增加逐渐降低;Ni54Mn25Ga21-xDyx合金力学性能的显著提高则归因于Dy微量合金化引起的细晶效应,Dy含量为0.3at%时,合金的断裂强度与应变均达到最大值,在相同预应变下,形状记忆效应随Dy含量增加而逐渐减小。Ni54Mn25Ga20.9Dy0.1合金在230℃时具有良好的超弹性,实验温度与Af点温度差越大,超弹性应变越小。
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