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形状记忆合金是一种新型的金属间化合物功能材料,它已成为功能材料领域的研究热点之一。镍钛基形状记忆合金因其具有优良的形状记忆效应、超弹性、耐蚀性和良好的力学性能已成为其中最为典型的代表,其中形状记忆合金管接头就是其成功应用的例子。然而因镍钛基记忆合金难于加工,即使在室温和中温条件下也难于成形,而将等温精密挤压塑性成形应用于制备管接头管坯开创了先例。为了使Ni-Ti基记忆合金等温精密挤压的变形规律易于分析,工艺参数得到优化,生产出优质量的管接头管坯,有限元模拟技术无疑是提供了一种最直接有效的途径。该课题体现了新材料和新工艺的结合,具有很强的创新性和前沿性,对于丰富镍钛基形状记忆合金的塑性变形机理和相变理论以及推动我国管接头产业的发展具有极为重要的理论价值和实际意义。本实验采用自行开发熔炼的镍钛基记忆合金(等原子比Ni-Ti合金、Ni-Ti-Nb合金和Ni-Ti-Fe合金)为研究载体,采用多种手段对其组织结构、相变温度、断口形貌和力学性能等进行了基本分析。研究表明,等原子比Ni-Ti合金材料的组织结构是由粗大树枝晶构成,基体相是NiTi, Ti2Ni是其析出相,DSC测量有相变发生;Ni-Ti-Nb合金的显微组织由等轴晶组成,基体相为NiTi(Nb),析出相β-Nb随着元素Nb含量的增加而增加,其室温压缩变形后发生了准解理断裂,因为在断裂前有一定的塑性变形,在-150℃～150℃之间进行DSC测量时存在相变过程;Ni-Ti-Fe合金的显微组织晶粒较粗大,其室温压缩变形后发生脆断,其方式为解理断裂,而在-150℃～150℃之间进行DSC测量时不存在相变过程。通过INSTRON-5500R试验机对Ni-Ti形状记忆合金进行了不同温度(500℃、650℃、800℃、950℃、1100℃)、不同应变速率(0.0005s-1、0.005s-1 0.05s-1、0.5s-1)下的高温压缩实验,获得了Ni-Ti形状记忆合金的高温压缩真应力-真应变曲线。由曲线走势得知Ni-Ti记忆合金是一种在高温压缩时对应变速率敏感的金属,且在压缩过程中伴随有动态再结晶和动态回复等特征,合金的屈服应力随着应变速率的增加而增大。基于Arrhenius方程,构建了等原子比Ni-Ti合金高温压缩流变行为的本构方程,揭示了变形温度和变形速率对Ni-Ti记忆合金的高温流变应力和热变形后的显微组织影响规律,为Ni-Ti记忆合金的等温精密挤压有限元模拟提供了材料模型。基于动态材料模型DMM(Dynamic Material Modeling)研究了Ni-Ti记忆合金的热加工图,确定了Ni-Ti合金的功率耗散和变形失稳的基本准则,采用微积分的形式解决了应力与应变速率之间的关系,从而建立了 Arrhenius高温本构关系下的热加工图,结合制备得到材料的显微组织特征对热加工图进行了有效说明,确定了有效可行的工艺参数。采用刚粘塑性有限元法对Ni-Ti合金等温精密挤压成形过程进行了有限元数值模拟,通过改变变形温度(600℃、700℃和800℃)、摩擦润滑系数(0.3和0.7)和最终成形的连皮位置等不同工艺参数,对比分析了反挤压过程中金属流动特点、挤压力大小、应力和应变分布情况等规律,为优化制备镍钛基记忆合金管接头管坯工艺参数提供了理论和技术上的支持。