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近等原子比的NiTi合金由于具有良好的形状记忆效应、超弹性、抗腐蚀性和生物相容性,被广泛应用于航空航天和生物医学等领域,已经成为应用最多、最有成效的一种记忆合金。在降低温度或应力诱变下,NiTi合金将发生马氏体转变,晶体结构由CsCl(B2)型转变为单斜畸变的B19’型,当温度升高时,又能回到母相的结构,从而表现出形状记忆效应。大量的研究表明,NiTi合金中的微观缺陷和电子结构状态对于它的形状记忆效应和马氏体转变有着重要影响。目前,虽然这方面的研究比较多,但是对于NiTi合金马氏体转变过程中的微观缺陷和电子结构随温度变化的微观机制还不是很清楚。
本工作分别测量了NiTi、NiAI合金、Si单晶、纯Fe、Co、Al、Nb、Cu、Ni、Ti金属的符合正电子湮没辐射多谱勒展宽谱,并从谱线中提取金属及合金中3d电子的信号。测量了NiTi合金在降温过程(295K降至25K)和升温过程(25K升至295K)的正电子寿命谱。利用正电子寿命谱参数研究了NiTi合金马氏体转变及其奥氏体转变过程中的微观缺陷和电子密度的变化,从而揭示NiTi合金马氏体转变的微观机制。本文的研究结果表明:
1.当Ni原子和Ti原子形成NiTi合金时,两原子中的部分3d电子被局域化并形成共价键,导致合金基体中的自由电子密度相对较低。
2.NiTi合金中的自由电子密度比NiAl合金大,NiTi合金的韧性比NiAl合金好。
3.Cu和Nb金属的商谱分别与Ni和Ti金属的相近,在NiTi合金中加入Cu和Nb原子时,合金的M<,s>点基本保持不变;Fe、Co和Al金属的商谱均小于Ni金属,在NiTi合金中加入Fe、Co和Al原子时,M<,s>点降低。
4.在降温过程中,当温度从295K降至225K时,合金的电子密度n<,b>随温度的降低而下降,在225K时降至最小;温度从225K降至25K时,‰随温度的降低而升高。当温度从295K降至221K时,合金缺陷的开空间随温度的下降而升高,在221K时达到最大值;温度从221K降至25K时,缺陷的开空间随温度的下降而下降。在马氏体相变起始温度(M<,s>=222K)点和终止温度(M<,f>=197.2K)点附近,合金的电子密度以及缺陷的开空间均有异常变化。
5.在升温过程中,当温度从25K升至253K时,合金的电子密度n<,b>随温度的升高而降低,并在253K时达到最小;而合金缺陷的开空间随温度的升高而增大,温度在253K时达到最大值。当温度从253K升至295K时,合金电子密度‰随温度的升高而升高,缺陷的开空间随温度的升高而下降。在开始发生奥氏体相变温度点(A<,s>=237.5K)和奥氏体相变完成温度点(A<,f>=255.5K),合金的电子密度‰以及合金缺陷的开空间也有异常变化。
6.当温度从295K降至25K时,NiTi合金将发生B2→R→B19’,相变,当温度范围在295K至275K,270K至225K,196K至25K时,Ni<,50.78>Ti<,49.22>合金分别处于B2,R和B19’相。不同的相,合金基体中的电子密度n<,b>不同:n<,b>(B19’)>n<,b>(B2)>n<,b>(R)。马氏体转变在M<,s>=222K开始发生,在尬M<,f>=197.2K时结束。7.NiTi合金在降温过程中的相变形式为B2→R→B19’的二阶段转变,而在升温过程中,马氏体直接转变成母相而没有经历R相变。NiTi合金的电子密度和微观缺陷随温度的变化在升温过程中与降温过程明显不同。