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本文研究了不同状态CuZnAl(RE)形状记忆合金(SMA)的力学性能、冷热循环过程中的热疲劳性能及记忆效应的变化,并进行了综合性能比较。合金在100KW中频感应炉中熔炼,加入复合稀土(La+Ce)以提高合金的性能,合金线切割成试验所需试样后,分别进行不处理、水淬+时效、油淬+时效,得到三种状态合金。将铸态、水淬+时效和油淬+时效的三种CuZnAl(RE)SMA先进行拉伸试验,测定力学性能;然后在热疲劳试验机上进行冷热循环试验,循环温度由高到低设定为20℃-300℃、20℃-400℃和20℃-500℃三组,结合光学显微镜、X射线衍射和电子显微镜分析,研究不同循环次数下合金的裂纹形貌和显微组织变化,并比较试验前后不同状态合金的显微硬度和记忆效应变化。获得试验结果如下:
1、加入复合稀土后的铸态合金,和未加入稀土的铸态合金相比,抗拉强度提高52.8%,延伸率提高89.6%,晶粒也明显细化,综合力学性能得到提高。
2、铸态、水淬+时效和油淬+时效三种状态的CuZnAl(RE)SMA组织和力学性能比较:铸态合金组织由α、β两相组成,合金抗拉强度为520.4MPa,两相的硬度值差异很大,基体β相硬度为172.82HV,α相硬度只有80.56HV;热处理后成分均匀,水淬+时效的合金组织为9R和18R马氏体,硬度为167.66HV,抗拉强度为690.6Mpa;油淬+时效的CuZnAl(RE)形状记忆合金组织为18R马氏体,规则度更高,其硬度为156.15HV,抗拉强度为750.2Mpa,综合力学性能最好。
3、冷热循环试验中,在相同的循环温度下,随着循环次数的增加,不同状态合金热疲劳裂纹的扩展速率先增加,后趋于平缓,其中油淬+时效试样裂纹最细最短,水淬+时效试样次之,铸态合金裂纹最长,热疲劳性能最差;在相同的循环次数下,随着循环温度的提高,不同状态合金试样的裂纹扩展增加且裂纹更粗大,表面的氧化腐蚀越严重,合金试样的裂纹扩展方式为沿晶扩展和穿晶扩展,合金试样的裂纹依靠氧化腐蚀区和内部小裂纹的桥接进行扩展。
4、水淬+时效和油淬+时效的CuZnAl(RE)SMA,马氏体组织随着循环次数的增加,有长大的趋势。相同循环温度下,循环次数越多,马氏体长大趋势越大,排列越混乱;相同循环次数下,循环温度越高,马氏体长大趋势越明显,排列越混乱;马氏体条内出现的新变体及位错缠结网络,破坏了马氏体原来良好的边界匹配关系,造成原子相互迁移产生错排,导致马氏体的有序度下降,记忆效应衰减;其中,油淬+时效合金记忆效应优于水淬+时效合金。
5、冷热疲劳试验前后,不同状态CuZnAl(RE)SMA表面的显微硬度都有下降趋势,其中油淬+时效试样表面显微硬度下降最小,力学性能保持良好。