2009届毕业设计(论文)正文示例及注意事项

第2章铁基合金的材料特性研究铁基形状记忆合金尤其是FeMnSiCrNi系不锈合金具有价格低廉、加工性能好、安装简便、易于保存等许多优点，在普通工业中具有广泛的应用前景。

Fe30Mn6Si4Cr5Ni是其中的一种，铁基合金智能螺母就是用这种铁基合金制成的。

为此，本章首先对这种铁基合金的材料特性进行了测试，并试验研究了影响这种合金材料形状记忆效应的有关因素。

在此基础上对这种铁基合金制成的螺母母材进行了研究。

2.1 应力—应变曲线的测试一般金属的变形过程包括弹性阶段、与位错再生有关的塑性变形阶段和断裂阶段。

然而FeMnSi等形状记忆合金的变形过程与上述的陈述有些不同，正如文献[18]提到的经过不同热处理的FeMnSi合金的应力—应变曲线有3个阶段；这三个阶段是通过不同的机制引起。

在FeMnSi合金中应力诱发马氏体的变形总是先于塑性变形出现的，具体地可划分为3个阶段：第一阶段：弹性变形阶段，即奥氏体相的弹性变形阶段。

第二阶段：应力诱发γ→ε马氏体的相变阶段。

对于一般的金属材料而言，从σs 开始发生屈服直至材料内部发生全位错的移动产生塑性变形，但对于FeMnSi系合金而言，当应力达到诱发γ→ε马氏体相变的临界应力时，会产生应力诱发马氏体相变而表现为伪屈服。

第三阶段：塑性变形直至断裂阶段。

这一阶段主要是合金中ε马氏体的“择优长大”和应力诱发ε马氏体的继续发生，最后进入塑变阶段，直至发生断裂。

FeMnSiCrNi合金的应力—应变曲线的测试在室温下进行。

试验用合金的化学成分为Fe-30Mn-6Si-4Cr-5Ni(质量百分数)，原材料为工业纯铁、电解锰、金属硅、金属铬和电解镍，采用真空感应炉熔炼，铸锭经1150︒C⨯15h均匀化退火，1100︒C热锻成Φ50mm的圆棒。

试验所用试样采用线切割方法加工而成，尺寸(厚×宽×有效长度)为2mm×12.5mm×60mm。

试验设备采用量程为20kN的电子拉伸试验机。

应变的测量采用应变片和电阻式应变仪。

测试的主要内容：(1)材料弹性极限应变的测定：：：：：：(2)材料应力—应变曲线的测定分别测试试件5#、6#、7#在应力为0、20、40、.... 、480MPa 时对应的应变的大小，根据测试结果绘制试件5#的应力σ—应变ε曲线如图2-2所示。

由上述数据，用最小二乘法拟合可求得各试件的母相(奥氏体相)的弹性模量，见表2-1所示。

即可得这种材料的弹性模量E A ≈175GPa 。

表2-1 Fe30Mn6Si4Cr5Ni 合金的弹性模量(E A )(3)用细划线在试件8#、9#、10#上标出原始的标距，测量原始标距的长度0L ，为提高测量精度，采用工具显微镜来测量。

用游标卡尺测得原始横截面的宽度0b 和厚度0h ，则原始截面积000h b A ⨯=。

………表2-2 试验数据试件 标号A 0 /mm 2A 1/mm 2 断面收缩率φ/% L 0 /mm L 1/mm 延伸率δ/% P b/kN 抗拉强度σb /MPa 8# 23.324 10.920 52.543 65.336 89.214 36.548 16.22 695.413 9# 24.065 11.648 51.598 59.767 80.943 35.431 16.20 683.177 10# 23.010 11.96048.72366.321 89.227 34.53715.67 681.008 平均值50.955 35.505686.533注：3010⨯=AP b b σ，%100010⨯-=A A A φ，%100001⨯-=L L L δ 由上述力学性能试验可得出结论：这种铁基合金螺母具有较好的力学性能，可以满足作为制造螺母的材料条件。

试件标号5# 6# 7# 平均值弹性模量/GPa175.598 174.976 175.671 175.0822.2 热处理工艺对合金形状记忆效应的影响Fe30Mn6Si4Cr5Ni 合金是一种应力诱导型的记忆合金，其可恢复应变一般不大于2%，造成这种合金记忆可恢复应变小的一个重要原因是应力诱发马氏体相变时伴随有塑性滑移。

而提高母相强度，增加全位错滑移应力，降低诱发马氏体应力，能有效地抑制塑性滑移的产生，从而增大铁基形状记忆合金的记忆效应[19]。

影响其形状记忆效应的因素很多，本文主要对固溶处理温度、预应变大小以及恢复退火温度对其记忆效应的影响规律进行了研究，以便更好应用开发该合金，为铁基合金螺母的研制奠定基础。

2.2.1 试验材料和方法试验所用的试件仍为2mm ×12.5mm ×60mm 的Fe30Mn6Si4Cr5Ni 板状拉伸试样。

试件的固溶处理在电阻式加热炉中进行。

合金的形状记忆效应通过形状恢复率和可恢复变形量来衡量。

首先在靠近拉伸试样的两端刻划记号，用工具显微镜测量两记号间的距离0L ；然后在电子拉伸试验机上拉伸，记录拉伸曲线并控制各次的拉伸应变量恒定，再用工具显微镜测出拉伸后的距离1L ；最后在电阻式加热炉中进行恢复处理，冷却至室温后测恢复后的距离2L 。

采用下式分别计算预应变大小、形状恢复率和可恢复变形量。

预应变%10001⨯-=L L L u ε (2-1) 形状恢复率%L L L L 1000121⨯--=η (2-2) 可恢复应变ηεε⨯=u tr (2-3)2.2.2 试验与试验结果分析2.2.2.1 固溶处理温度对合金形状记忆效应的影响经过不同温度的固溶处理，在一定的预应变(1%)下所测的形状恢复率与固溶温度的关系如图2-3所示。

其中固溶处理保温时间为30min ，冷却方式采用水冷；恢复处理工艺为400︒C ，20min 。

图2-3 固溶处理温度对试件形状恢复率的影响结果表明，合金的形状恢复率随着固溶处理温度的升高而升高，在850︒C达到最大值，随后随着固溶温度的升高而降低。

这是因为固溶温度较低时，奥氏体晶粒比较细小，应力诱发马氏体的临界应力较高[20]，在相变过程中不易发生滑移变形，有利于记忆性能的提高；但是另一方面，此时奥氏体内的晶体缺陷(主要是热加工中产生的位错)较多，对γ→ε的马氏体相变起了阻碍作用，从而损害了记忆性能。

这两个相反因素的综合，后者起了主导作用，因而随着固溶处理温度的升高形状恢复率逐渐升高。

当固溶温度较高时，虽奥氏体晶粒内部的缺陷减少，但是奥氏体的强度随着晶粒的长大而有所降低，此时应力诱发马氏体的临界应力也较低，从而导致组织内部易发生不可逆的滑移变形，它们对应力诱发ε马氏体的逆转变都起到了一定的阻碍作用，所有这些均不利于形状记忆效应的提高，并占了主导地位，结果导致恢复率随着固溶温度的升高而逐渐降低[21]。

当固溶处理温度为850︒C时，母相的强度和应力诱发的临界应力才达到最适当的配合，使合金的形状恢复效应达到最佳。

2.2.2.2 预应变对合金形状记忆效应的影响关于预应变量对形状恢复率的影响已有较多的报道[22~24]。

这些研究者多是以薄片、丝状等一维试件为研究对象，研究结果表明，随预应变量的增加，形状恢复率单调下降，而可恢复应变在预应变较小时先单调上升，超过一定的值后逐渐饱和，并趋于恒定值。

试件经过850︒C，30min的固溶处理，在室温下经不同的变形量所测的形状恢复率和可恢复应变的关系曲线如图2-4，图2-5所示。

恢复处理工艺为400︒C，保温时间为20min。

由图2-4可以看出，形状恢复率随预应变量的增大而单调下降，这与文献[23]报道基本一致，所不同的是，对于板状拉伸试件而言，当预应变为1%时，其形状恢复率仅为80.12%，低于上述文献的研究结果(预应变量小于2%时，其形状恢复率可以达到90%以上)。

分析其原因在于：板状试件在拉伸作用下，由于泊松比的影响使合金中的马氏体处于三维受力状态下，与处于单轴应力下的薄片或丝状的试件相比，ε马氏体在多位向的应力诱发下形成，使得马氏体变体之间的交截机会增多，交叉现象随之增多，这种交叉会成为Shockley 不全位错逆转变时的障碍，需要更多的相变驱动力来促使逆转变的完成；另一方面，ε马氏体交叉处容易诱发α'马氏体(这种马氏体在恢复加热过程中不会发生向母相的逆转变)，发生不可逆的塑性变形，所有这些都导致了合金形状恢复率的降低。

由图2-5可见，随着预应变的增大，可恢复应变量逐渐增大，当预应变为4%时，可恢复应变达到最大值，随后逐渐减小，并随着预应变量的增大逐渐趋于稳定。

这一结果不同于上述文献报导，但与文献[25]的研究结果一致。

对于这种变化曲线，可作如下解释：当预应变较小时，变形主要由应力诱发γ→ε马氏体相变的方式产生，此时可恢复应变量主要决定于应力诱发ε马氏体量，即预应变量的大小。

当预应变增大到某一值时，塑性变形成为产生变形的主要方式，而应力诱发的ε马氏体量增加趋缓，此时随着预应变的增大，塑性滑移迅速增多，相应地ε→γ的逆转变也急剧下降，从而导致可恢复应变的减小。

应变超过一定值后，变形几乎以塑性变形的方式产生，同时马氏体相变的可逆性遭到严重破坏，导致不能产生任何的形状恢复，即形状恢复率逐渐趋于稳定。

2.2.2.3 恢复退火温度对合金形状记忆效应的影响文献[26]的研究结果表明：铁基合金中由于应力诱发的ε马氏体分布形态的不同以及它们之间的相互交叉，使得在合金组织内部存在着某种能量分布，恢复加热过程中图2-5 预应变对可恢复应变的影响可恢复应变/%图2-4 预应变对合金形状恢复率的影响处于不同能量状态的马氏体片逆转变需要的相变驱动力不同，只有在不同且是在特定的温度区间才能发生ε→γ的逆转变。

图2-6为预应变为1%，1.8%，2.1%的试件在不同温度恢复退火温度下的形状恢复率的变化曲线，其中各试件的固溶处理温度为850︒C，保温30min。

图2-6 恢复退火温度对合金形状恢复率的影响由图可见，尽管不同的预应变试样的最高形状记忆效应不同，但各曲线的变化规律基本一致：恢复温度在350︒C左右时，大量应力诱发的马氏体发生向奥氏体的转变；以后的温度区间(375︒C~500︒C)几乎没有马氏体的转变，直到当恢复温度达到600︒C，又有一定量的马氏体发生ε→γ的逆转变，此时形状记忆效应达到最佳，以后随着温度的继续升高，形状恢复率呈下降的趋势。

这一研究结果与以往报道[23]不同。

导致这一结果的原因在于：马氏体片在形核长大过程中具有不同的方位和组织形态，对于板状试件而言，由于处于三维受力状态，所以其方位和组织形态更加复杂(与薄片状或丝状试件相比较)，其中部分马氏体排列整齐，取向一致，储存的弹性恢复能较多，在350︒C即可完全恢复；另有一定数量的马氏体片因相互交叉，或储存的弹性能少，在较大能量作用下才能转变，直到600︒C的恢复温度下才恢复完全。