niti形状记忆合金的织构及残余应力

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1、NiTi形状记忆合金的织构及残余应力摘要NiTi形状记忆合金由于具有出色的形状记忆效应(SME)和超弹性(PE)效应而倍受人们关注。(尤其是随着集成制造技术、微机电系统的迅猛发展，NiTi薄膜作为优良的驱动器兼传惑器材料，更是成为研究热点。从应用的角度出发，SME和PE好坏的衡量指标中，回复应变和回复应力主要取决于在热或应力诱发下，能发生多大的相变应变。包括母相与马氏体相、母相与R相、R相=马氏体相、R相变体再取向以及马氏体相变体再取向过程的应变。，=卜r+由材料的各向异性现象和薄膜器件制造中的应力失

2、效出发，本文选择织构和残余应力为目标对NiTi形状记忆合金进行相关的系统研究。理论方面：结合马氏体相变唯象理论WLR模型的SchmJd因子判据和晶格变形理论的相变应变计算，建立了单晶NiTi合金B2专M、B2---)R以及R专M的相变应变模型，计算单晶相变应变。／在此基础上，采用应变无约束模型，通过三维取向分布函数(0DF)构造反极图，并以反极图数据点为中心对投影球面进行不等球面划分，建立了多晶NiTi相变应变模型，用加权平均方法计算多晶相变应变。与此同时，利用金相、透射电镜(TEM)、热分析(DSC

3、)、x射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等手段，通过拉伸、纳米压入等试验测量NiTi合金的相变应变；通过弯曲法、x射线掠射法以及纳米压痕法测量带基板NiTJ薄膜的残余应力⋯∥⋯、用本文建立的单晶相变应变模型计算的单晶相变应变与前人试验结果相当吻合。用多晶相变应变模型对不同冷拔变形率的NiTi丝材、热轧板材、不同冷轧变形率的冷轧板材以及热基板溅射薄膜的相变应变进行模拟计算，f结果表明：由于实际晶体中的晶界约束和晶体缺陷阻碍晶粒变形，NiTi多晶的相变应变理论计算值和试验测量值所反映的变化规律一致

4、，绝对值则普遍高于测量值。随着冷拔变形程度的增加(10．89％'--)48．16％)，NiTi冷拔丝材丝轴方向的相变应变不断增大。通过分析其丝轴反极图发现：随着冷拔变形程度的增加，(355)、(111)、(112)(01I)等相变应变值高的取向位置上的轴密度逐渐上升，从而导致总体宏观平均相变应变不断增大；采用不同的热处理条件：700℃X30min、400*0×60min和500*0×60min，在室温下分别获得单一母相、R相和马氏体相的NiTi热轧板材。ODF分析表明：700"C退火和400。Ci星火

5、NiTi热轧板的织构基本一致，为明显的{221)、{115}矛1微弱的{447)面织构，强度较高的(340)[430】和(950)[590】板织构，两者的区别只是后者的织构强度较低；沿与轧向成不同角度方向取样并进行拉伸试验发现：NiTi热轧板的相变应变具有明显的各向异性，即沿轧向(RD)的相变应变最大，沿横向(TD)最小，沿与轧向成45。方向则略低于轧向。通过不同取样角方向的反极图分析认为，相变应变的这种各向异性与不同取样角时(355)、(122)和(012)极点附近的轴密度变化有关：0。一30。取样

6、角范围内，上述极点的轴密度普遍较高且变化不大，当取样角达到45。并进一步加大时，这些轴密度开始明显降低；与热轧板相比，NiTi冷轧板具有比热轧板更强的织构，并且出现了热轧板中所没有的{111)面织构；对不同冷拔变形率的冷轧NiTi板的ODF和相变应变的测试及计算发现：冷轧板具有比较均匀的{221)、{557}并n{114}面织构，并且随变形率的增大而增强；冷轧NiTi板的相变应变随冷轧变形量的增大而增大，其原因是(355)和(122)极点附近轴密度随冷轧变形量的升高而增大；采用磁控溅射方法在(100)

7、、(111)单晶硅和多晶硅基板上制备NiTi薄膜。基板分不预热和500。C、525℃、550。C三种预热温度。结果发现：基板种类的不同对薄膜织构的形成具有十分显著的影响：1)(100)单晶硅热基板上溅射薄膜时形成的织构比较简单，为{100}、{1lO)和{111)面织构，织构类型不随基板预热温度变化而变化；2)(“1)单晶硅热基板溅射薄膜形成的织构则比较复杂，织构类型随基板预热温度升高变化较大；3)多晶硅基板500"C预热溅射的NiTi薄膜主要是{110}面织构和{111)面织构；同时基板温度对薄膜织

8、构也有影响：1)(100)单晶硅基板不预热时获得非晶态NiTi薄膜，经后续退火晶化后没有形成织构：2)预热的(100)硅基板上溅射的NiTi薄膜中{100)和{110}织构在525。C时强度最高，而{111}面织构则在550"C时最强；3)预热的(111)单晶硅基板上溅射的NiTi薄膜中也是以面织构为主，但与(100)硅基板的情况并不相同。随基板预热温度的升高，{110)、{221)和{449)的强度逐渐减弱并向{111)和{115}面织构转变；实验表明