确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法
阅读：46发布：2020-05-16
专利汇可以提供确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了确定形状记忆 合金 复合阻尼材料应 力 诱发 马 氏体 相变 临界点 的方法。该方法采用差热式扫描热分析方法确定样品的马氏体逆相变结束 温度 Af；采用动态机械分析仪在高于马氏体逆相变结束温度Af测量出样品的内耗-应变谱；最后采用切线法分析出内耗-应变谱中内耗显著增加的临界点，即为形状 记忆合金 复合阻尼材料的 应力 诱发马氏体相变临界点，所对应的应变为应力诱发马氏体相变的临界应变。本发明方法可靠、快捷，精确度高，成本低。可以直观的反应出形状记忆合金复合阻尼材料细微的组织结构变化，准确测量出临界相变点；对于致密形状记忆合金，多孔形状记忆合金，形状记忆合金 复合材料 都适用。，下面是确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法专利的具体信息内容。
1.确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用差热式扫描热分析方法确定样品的马氏体逆相变结束温度Af；
(2)采用动态机械分析仪在高于马氏体逆相变结束温度Af测量出样品的内耗-应变谱；
(3)采用切线法分析出步骤(2)获得内耗-应变谱中内耗显著增加的临界点，即为形状记忆合金复合阻尼材料的应力诱发马氏体相变临界点，所对应的应变为应力诱发马氏体相变的临界应变。
2.根据权利要求1所述的确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，其特征在于：步骤(1)所述差热式扫描热分析方法所采用的升温速率为1～20℃/min，确定马氏体逆相变结束温度Af的方法为切线法。
3.根据权利要求1所述的确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，其特征在于：步骤(2)所述动态机械分析仪采用的测试模式是多重应变扫描模式，采用的夹具为双悬臂梁或单悬臂梁。
4.根据权利要求1所述的确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，其特征在于：步骤(2)所述动态机械分析仪所设定的最大应变幅度为1.5～2.2％，设定的频率为0.1～200Hz。
5.根据权利要求1所述的确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，其特征在于：步骤(2)所述高于马氏体逆相变结束温度Af为马氏体逆相变结束温度Af以上5～50℃。
6.根据权利要求1所述的确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，其特征在于：步骤(2)所述样品采用线切割制得，厚度为1～2mm，依次用800#、
1500#、3000#、5000#砂纸把样品各个表面打磨干净，接着采用无水乙醇超声波清洗5～15分钟，吹干后放在干燥箱里烘干24～48h。
确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点
的方法
技术领域
背景技术
[0002] 噪声振动、冲击破坏在很多领域，如航空航天，军事、交通运输、建筑等，普遍存在，且不可避免，这给各行各业带来了众多恶劣影响，甚至造成严重的后果。一方面影响设备的精度、寿命和可靠性，严重的可造成贵重设备丧失功能；另一方面恶化工作环境，危害人的健康和生命。目前噪声振动和冲击破坏防止领域的行业发展迅速，近几十年以来，越来越受到广泛关注，且市场需求都是逐年高速递增。而目前解决的最主要办法就是采用高阻尼材料实现减震吸能。特别是在一些高速列车、高速公路、城市建设、坦克装甲、潜艇等交通运输和国防领域的恶劣使用环境，要求阻尼材料具有高强度、较高的韧性和塑性、宽使用区间(-100～200℃)、耐腐蚀性和长寿命等特性，有机粘弹性材料由于其低熔点、低强度以及不可重复使用等缺点，已经不再适合在这些场合使用。目前主要使用的是高阻尼合金材料，主要有四大类：镁合金轻质高强，但耐腐蚀性较差，不可重复使用；铁磁型的合金价格低廉强度高，但受磁场影响严重，应用场合受到很大局限；复相型的灰铸铁和锌铝合金减震性能差，强度低，不适合高温使用。形状记忆合金(主要包括NiTi基、Cu基等)依靠其丰富的界面(马氏体变体和孪晶界面)运动的粘滞性吸能，高阻尼高强韧，且变形可恢复，并可重复使用。另外，将孔隙和第二相单一或同时引入形状记忆合金，可进一步大幅度提升其阻尼性能，这主要归因于孔壁的弯曲和坍塌也可耗散大量的能量，或者额外增加了第二相与形状记忆合金界面也可吸收能量。因此，这种高强高阻尼的形状记忆合金复合材料在减震抗噪、抗冲击领域有着巨大的应用前景。
[0003] 然而，这种形状记忆合金阻尼材料的高阻尼特性和长寿命受温度影响巨大，这主要因为高温时，诸如NiTi形状记忆合金在高于马氏体逆相变结束温度Af(一般不超过100℃)，形状记忆合金处于母相状态，丧失低温马氏体状态中丰富的界面结构，从而阻尼性能变得非常差，甚至变成一种普通的材料。形状记忆合金在高于马氏体逆相变结束温度Af时，可通过一定应力诱发母相转变为马氏体相，从而恢复其高阻尼特性，卸载应力后可实现重复使用。为了实现形状记忆合金阻尼材料在高温下的使用，需要确定出应力诱发马氏体的临界点。
[0004] 对于致密形状记忆合金的应力诱发马氏体的临界应力或应变，一般是通过材料测试系统进行拉伸或压缩实验，得到应力-应变曲线上会出现明显的应力诱发马氏体平台区，从弹性变形阶段到平台区，有一个明显的拐点，即为应力诱发马氏体的临界应力，对应的应变值即为应力诱发马氏体的临界应变。然而，对于多孔形状记忆合金或形状记忆复合材料，测试的应力-应变曲线没有明显的应力诱发马氏体平台区，因此很难采用这种方法确定出应力诱发马氏体的临界点。因此，有报道采用高能X射线原位测试应力的加载过程，也可以分析得出应力诱发马氏体的临界点。但是，这种方法测试费用昂贵，需要用到高能X射线源，且设备稀少，操作复杂。能否采用其他普通设备，简易方法确定出多孔形状记忆合金或形状记忆合金复合材料的临界点，这将会具有重要的应用价值。
发明内容
[0005] 为了克服现有方法的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种方法可靠、快捷，精确度高，成本低的确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法。
[0006] 本发明可以直观地反应出形状记忆合金复合阻尼材料细微的组织结构变化，准确测量出临界相变点；对于致密形状记忆合金，多孔形状记忆合金，形状记忆合金复合材料都适用。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0008] 确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，包括以下步骤：
[0009] (1)采用差热式扫描热分析方法(DSC，differential scanning calorimeter)确定样品的马氏体逆相变结束温度Af；
[0010] (2)采用动态机械分析仪(DMA，Dynamic Mechanical Analysis)在高于马氏体逆相变结束温度Af测量出样品的内耗-应变谱；
[0011] (3)采用切线法分析出步骤(2)获得内耗-应变谱中内耗显著增加的临界点，即为形状记忆合金复合阻尼材料的应力诱发马氏体相变临界点，所对应的应变为应力诱发马氏体相变的临界应变。
[0012] 为进一步实现本发明目的，优选地，步骤(1)所述差热式扫描热分析方法所采用的升温速率为1～20℃/min，确定马氏体逆相变结束温度Af的方法为切线法。
[0013] 优选地，步骤(2)所述动态机械分析仪采用的测试模式是多重应变扫描模式(Strain-sweep)，采用的夹具为双悬臂梁或单悬臂梁。
[0014] 优选地，步骤(2)所述动态机械分析仪所设定的最大应变幅度为1.5～2.2％，设定的频率为0.1～200Hz。
[0015] 优选地，步骤(2)所述高于马氏体逆相变结束温度Af为马氏体逆相变结束温度Af以上5～50℃。
[0016] 优选地，步骤(2)所述样品采用线切割制得，厚度为1～2mm，依次用800#、1500#、3000#、5000#砂纸把样品各个表面打磨干净，接着采用无水乙醇超声波清洗5～15分钟，吹干后放在干燥箱里烘干24～48h。
[0017] 本发明的原理是：本发明发现样品稳定在奥氏体状态时，在DMA上对样品逐渐增大应变，可以得到内耗-应变谱，通过分析内耗值显著变化的部分，从而可以确定出诱发马氏体相变的临界应变。其中，动态热机械分析仪(DMA)是测量样品在周期振动应力下，随温度、频率或应变变化的力学性能和粘弹性能的仪器。DMA测试主要针对固体样品，施加力的方式以拉伸和弯曲为主。待测样品置于夹具上，仪器运行后测出动态过程中相应的力和振幅，通过一定的数学关系和参数运算可以得到动态变化过程中实时的应力、应变、模量、相位角和内耗等数据，从而可以分析出样品性能随外界条件的响应。DMA测试方法不损伤样品、无污染、快捷、精确度高、能得到有关样品完整性的大量信息等优点。
[0018] 内耗是指材料在弹性范围内由于其内部各种微观因素的原因致使机械能逐渐转化成为材料内能的现象，是一个对材料的微观组织结构，比如界面、位错等十分敏感的物理参量。形状记忆合金在母相状态只有一些位错和晶界，其内耗值十分小；当应力诱发马氏体形成时，产生大量的孪晶界或马氏体变体之间界面等，从而导致内耗显著增加。可以通过分析应变过程中内耗值的明显变化进而反应出内部结构的细微变化，从而精确标定临界反应点。
[0019] 本发明工艺简单、可靠、成功率高。本发明的有益效果是：
[0020] (1)本发明方法无损检测，快捷，精确度高，成本低；
[0022] 图1是实施例1致密Ni50Ti50形状记忆合金阻尼材料的扫描电镜照片；
[0023] 图2是实施例1致密Ni50Ti50样品的DSC曲线；
[0024] 图3是实施例1致密Ni50Ti50样品在150℃，奥氏体状态下的内耗-应变谱；
[0025] 图4是实施例2致密Ni46Ti54形状记忆合金复合阻尼材料的扫描电镜照片；
[0026] 图5是实施例2致密Ni46Ti54样品的DSC曲线；
[0027] 图6是实施例2致密Ni46Ti54样品在奥氏体(130℃)状态下的内耗-应变谱；
[0028] 图7a是实施例3多孔Ni46Ti54形状记忆合金复合阻尼材料的金相照片；
[0029] 图7b是实施例3多孔Ni46Ti54形状记忆合金复合阻尼材料的扫描电镜照片；
[0030] 图8是实施例3多孔Ni46Ti54样品的DSC曲线；
[0031] 图9是实施例3多孔Ni46Ti54样品在奥氏体(120℃)状态下的内耗-应变谱。
具体实施方式
[0032] 为更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033] 实施例1
[0034] 以成分为Ni50Ti50的致密形状记忆合金阻尼材料为例，即该合金含有原子比为50％的Ni元素，50％的Ti元素，样品扫描电镜照片如图1所示，表面平整，由单一NiTi相组成。
[0035] 确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，包括以下步骤：
[0036] (1)采用差热式扫描热分析方法测出该致密Ni50Ti50形状记忆合金样品的DSC曲线，如图2所示，所采用的升温或降温速率为5℃/min，测试温度范围为-60～200℃，先将样品加热到200℃停留2分钟，然后以5℃/min速度冷却到-60℃，获得冷却曲线，即图2中上部的曲线，接着停留2分钟，然后以5℃/min速度升温到200℃，获得加热曲线，即图2中下部的曲线。冷却曲线出现一个明显的放热峰，加热曲线出现一个明显的吸热峰，表明样品随温度变化展现出明显的马氏体相变，冷却曲线表明样品由母相(B2相)完全转变成马氏体相(B19'相)，加热曲线表明样品由马氏体相完全转变母相，因此采用切线法可以确定马氏体逆相变结束温度Af为100℃；
[0037] (2)将样品采用线切割制得，厚度为1mm，宽度为4mm，长度为30mm的薄片，依次用800#、1500#、3000#、5000#砂纸把样品各个表面打磨干净，厚度变为0.6mm，接着采用无水乙醇超声波清洗10分钟，吹干后放在干燥箱里烘干24h。采用动态机械分析仪在150℃(Af温度以上50℃)测量出该样品的内耗-应变谱，如图3所示，采用的测试模式是多重应变扫描模式(Strain-sweep)，采用的夹具为双悬臂梁，所设定的最大应变幅度为2.1％，测试频率为
1Hz；图3体现样品内耗值随应变发生突变过程，这个突变是由于其微观结构发生变化所致。
1Hz；图3体现样品内耗值随应变发生突变过程，这个突变是由于其微观结构发生变化所致。
[0038] (3)采用切线法分析图3中内耗-应变谱中内耗显著增加的临界点，箭头所指应变为1.26％，即为致密NiTi形状记忆合金的应力诱发马氏体相变临界点，所对应的应变为应力诱发马氏体相变的临界应变。150℃(完全奥氏体状态)时测得该样品的阻尼系数随应变逐渐增大的响应曲体状态(测试温度维持在150℃时)，随着应变的逐渐增大，阻尼系数先是达到一个稳定的值(大约0.008左右)维持一段时间。而后达到一个临界点后，阻尼系数会突然增大，且随应变的逐渐增大而增大。根据形状记忆合金的相变特性，在奥氏体状态增大应力，会发生应力诱发马氏体相变，而马氏体孪晶界面及不同变体之间界面的移动等等，会显著增大阻尼系数。所以，从应变-内耗谱上可以准确确定应力诱发马氏体相变的临界应力(1.26％)。
[0039] 本实施例相对于高能X射线原位测试应力确定法，具有可靠、精确度高，成功率高的特点，主要是因为DMA测试方法，其测量的应变和内耗精度高，测量应变的精度可达到10-9，内耗值的精度可达到0.00001，且应变变化由计算机程序控制，稳定可靠，只要样品能够发生应变诱发马氏体，就能DMA方法测出。然而，高能X射线原位测试应力确定法，需要将高能X射线引入材料测试系统中，X射线对中样品需要由人操作，稳定性不好，且材料测试系统中，应变的精度只有0.0005，需要分析相结构，才能获得应力诱发马氏体的临界点，人为因素较多。
[0040] 实施例2
[0041] 以成分为Ni46Ti54的致密形状记忆合金复合阻尼材料为例，即该合金含有原子比为46％的Ni元素，54％的Ti元素，该样品的微观结构为两相组成，半网状和颗粒状的Ti2Ni相，分布在NiTi基体相中，如图4所示，深色相为Ti2Ni相，浅色为NiTi相。
[0042] 确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，包括以下步骤：
[0043] (1)采用差热式扫描热分析方法测出该致密NiTi形状记忆合金样品的DSC曲线，如图5所示，所采用的升温或降温速率为10℃/min，测试温度范围为-60～200℃，先将样品加热到200℃停留2分钟，然后以10℃/min速度冷却到-60℃，获得冷却曲线，即图5中上部的曲线，接着停留2分钟，然后以10℃/min速度升温到200℃，获得加热曲线，即图5中下部的曲线。冷却曲线出现一个明显的放热峰，加热曲线出现一个明显的吸热峰，表明样品随温度变化展现出明显的马氏体相变，冷却曲线表明样品由母相(B2相)完全转变成马氏体相(B19'相)，加热曲线表明样品由马氏体相完全转变母相，因此采用切线法确定马氏体逆相变结束温度Af为103℃。
[0044] (2)将样品采用线切割制得，厚度为1mm，宽度为4mm，长度为30mm的薄片，依次用800#、1500#、3000#、5000#砂纸把样品各个表面打磨干净，厚度变为0.6mm，接着采用无水乙醇超声波清洗15分钟，吹干后放在干燥箱里烘干30h。采用动态机械分析仪在130℃(马氏体逆相变结束温度Af温度以上27℃)测量出该样品的内耗-应变谱，如图6所示，采用的测试模式是多重应变扫描模式(Strain-sweep)，采用的夹具为双悬臂梁，所设定的最大应变幅度为2.1％，测试频率为10Hz；
[0045] (3)采用切线法分析图6中内耗-应变谱中内耗显著增加的临界点，箭头所指应变为1.12％，即为致密NiTi形状记忆合金复合阻尼材料的应力诱发马氏体相变临界点，所对应的应变为应力诱发马氏体相变的临界应变。图6体现样品内耗值随应变发生突变过程，这个突变是由于其微观结构(应力诱发马氏体相变，导致马氏体变体间界面和孪晶界面增加)发生变化所致。这个样品采用一般材料测试系统没有明显的应力平台区，也无法确定出应力诱发马氏体临界点。
[0046] 在奥氏体状态(测试温度维持在130℃时)，随着应变的逐渐增大，阻尼系数先是达到一个稳定的值(大约0.01左右)维持一段时间。而后达到一个临界点后，阻尼系数会突然增大，且随应变的逐渐增大而增大。根据形状记忆合金的相变特性，在奥氏体状态增大应力，会发生应力诱发马氏体相变。而且由于Ti2Ni相和NiTi相之间弹性模量的差异，导致复合材料在承受应力时，会在Ti2Ni相周围产生一个附加的应力场，导致周围的NiTi相提前发生应力诱发马氏体相变，即临界应力点变小，该样品的临界应变为1.12％，比图3致密单相NiTi形状记忆合金减少0.14％，这种微小的改变都能被本发明方法所测量出。
[0047] 实施例3
[0048] 以成分为Ni46Ti54的多孔形状记忆合金复合阻尼材料为例，即该合金含有原子比为46％的Ni元素，54％的Ti元素，该样品为多孔材料，孔隙率为37％，孔隙大小为200μm左右，图7a是本实施例多孔Ni46Ti54形状记忆合金复合阻尼材料的金相照片；图7b是本实施例多孔Ni46Ti54形状记忆合金复合阻尼材料的扫描电镜照片；如图7a所示，其微观结构为两相组成，颗粒状的Ti2Ni相，分布在NiTi基体相中，如图7b所示，深色相为Ti2Ni相，浅色为NiTi相，表明该样品中既有许多孔隙表面，也增加了第二相与基体的界面，这都有助于增加记忆合金复合材料的阻尼性能。
[0049] 确定形状记忆合金复合阻尼材料应力诱发马氏体相变临界点的方法，包括以下步骤：
[0050] (1)采用差热式扫描热分析方法测出该致密NiTi形状记忆合金样品的DSC曲线，如图8所示，所采用的升温速率为5℃/min，测试温度范围为-60～200℃，先将样品加热到200℃停留2分钟，然后以5℃/min速度冷却到-60℃，获得冷却曲线，即图8中上部的曲线，接着停留2分钟，然后以10℃/min速度升温到200℃，获得加热曲线，即图8中下部的曲线。冷却曲线出现一个明显的放热峰，加热曲线出现一个明显的吸热峰，表明样品随温度变化展现出明显的马氏体相变，冷却曲线表明样品由母相(B2相)完全转变成马氏体相(B19'相)，加热曲线表明样品由马氏体相完全转变母相，因此采用切线法确定马氏体逆相变结束温度Af为103℃。
[0051] (2)将待测试样品采用线切割制得，厚度为2mm，宽度为4mm，长度为20mm的薄片，依次用800#、1500#、3000#、5000#砂纸把样品各个表面打磨干净，厚度变为1.5mm，接着采用无水乙醇超声波清洗5分钟，吹干后放在干燥箱里烘干48h。采用动态机械分析仪在120℃(马氏体逆相变结束温度Af以上17℃)测量出该样品的内耗-应变谱，如图9所示，采用的测试模式是多重应变扫描模式(Strain-sweep)，采用的夹具为单悬臂梁，所设定的最大应变幅度为1.9％，测试频率为5Hz。
[0052] (3)采用切线法分析图9中内耗-应变谱中内耗显著增加的临界点，箭头所指应变为0.6％，即为多孔NiTi形状记忆合金复合阻尼材料的应力诱发马氏体相变临界点，所对应的应变为应力诱发马氏体相变的临界应变。图9体现样品内耗值随应变发生突变过程，这个突变是由于其微观结构(应力诱发马氏体相变，导致马氏体变体间界面和孪晶界面增加)发生变化所致。这个样品采用一般材料测试系统没有明显的应力平台区，也无法确定出应力诱发马氏体临界点。
[0053] 在奥氏体状态(测试温度维持在150℃时)，随着应变的逐渐增大，阻尼系数先是达到一个稳定的值(大约0.015左右)维持一段时间。而后达到一个临界点后，阻尼系数会突然增大，且随应变的逐渐增大而增大。根据记忆合金的相变特性，在奥氏体状态增大应力，会发生应力诱发马氏体相变。而且由于Ti2Ni相和NiTi相之间弹性模量，以及孔隙与NiTi相之间弹性模量的显著的差异，导致多孔复合材料在承受应力时，会在Ti2Ni相和孔隙周围产生一个附加的巨大应力场，导致周围的NiTi相提前发生应力诱发马氏体相变，即临界应力点显著变小，该样品的临界应变为0.6％，比图3致密单相NiTi形状记忆合金和图6致密双相NiTi形状记忆合金复合材料都要小很多，且这种改变都能被本发明的方法所测量出。
[0054] 本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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