马氏体相变温度对NiTi 形状记忆合金抗磨损性能的影响分析

2022-07-22司海涛

现代制造技术与装备 2022年5期

司海涛

（运城学院，运城 044000）

随着各行业精细化生产的不断深入，记忆合金作为一种常见的智能化材料，在各个行业获得了广泛应用。其中，NiTi 形状记忆合金因为具有良好的抗磨性能和超弹性效应，在生物医学等领域得到了进一步推广。为了更好地满足未来相关行业的应用要求，应掌握更多NiTi 形状记忆合金抗磨损性能的相关问题。

1 实验分析

1.1 实验思路与理论支持

长期以来，材料的加工硬化和硬度情况是影响其抗磨损性能的重要指标。生产过程中受到工况等特殊因素的影响，会导致材料的抗磨损性能发生改变。与上述常规材料相比，NiTi 形状记忆合金具有明显的特殊性。马氏体片的超弹性效应和重新取向功能决定了该材料具有强大的抗磨损性能。其中，超弹性作为该材料的关键力学指标，在NiTi 形状记忆合金遭受外力作用的影响下会造成母相相变形成马氏体。除去外力后，该材料会产生逆马氏体相变，使得相应的变形现象得以恢复，这种特性学术界称其为超弹性。但是，大量研究证实，马氏体的重新取向是指不稳定类型的马氏体在外力或者受热情况下所形成的有热形核质点的马氏体。该马氏体的主要特征是具有理想的热力学稳定性[1]。

长久以来，学者对NiTi 形状记忆合金抗磨损的研究主要集中在记忆合金的特性上，但是研究结果并未显著提升合金性能。为解决上述问题，本次研究进行了创新，以马氏体相变温度为变量展开分析，研究结果对提升记忆合金性能具有积极影响[2]。

1.2 试样的制备

本次实验所有使用的NiTi 形状记忆合金均为商业用纯金属材料。该材料是在氩气保护下经感应炉熔炼获得的。试样制备阶段，在1 100 ℃下退火15 h，在850 ℃热炼成直径为9 mm 的棒材，再采用机械加工的方法获得φ9×8 mm 的试样，最后所有试样于530 ℃下退火并恢复至室温。

实验中为更好地识别马氏体相变温度的影响，选择6种合金进行性能测试。合金的相关数据如表1所示。

1.3 实验方法

实验在WMW-1 试验机上进行。根据质量控制要求，将合金按照实验标准加工成环形标准试样，实验中的磨偶件为316L 不锈钢，硬度检测结果为55 ～60 HRC，制成符合实验标准的标准件。

在开展实验前用超声波清洗仪充分清洗试样，并在电子天平上称重。实验条件：设定荷载5 N，相对速度0.2 m·s-1，在干摩擦状态下进行；为避免因为试样发热而影响检测结果，每次实验的时间控制在0.5 h 左右；在空气冷却后再摩擦，连续进行6 次实验并记录实验结果；在实验件硬度检测中，通过MH型显微硬度仪检测硬度变化情况。

表1 实验中合金的相关参数数据

2 实验结果的处理

针对实验过程中采集的相关数据，可以通过数据处理方法简化其中的数据，以此来更好地判断记忆合金抗磨损性能变化情况，重点包括如下内容。

（1）考虑到形状记忆效应、伪弹性的出现与形状记忆合金的特殊性质存在相关性，在外荷载和温度作用的影响下，原材料会出现自协作马体、非自协作马体及体之间的相互转变。此时，形状记忆合金的变量与自协作马氏体的体积分数之间存在相关性。所以，在马氏体相变温度变化的情况下，它的热力学特性参数也可能与马氏体的体积存在相关性。此时，数据处理可以按照式（1）展开运算。

式中：ξ为非自协作马氏体的体积分数；εcur(σ)为在应力为σ时产生的相变应变；εmax为马氏体条件下的最大相变应变。

（2）实验开始后，随着温度的变化会导致记忆合金形态出现变化。根据相关学者的研究可知，相变应变、温度以及马氏体体积分数等都会影响记忆合金的抗磨损性能，关系式为：

式中：Msσ、Asσ分别为在应力条件下记忆合金抗磨损性能变化的开始温度与结束温度；Ms与As为零应力条件下记忆合金抗磨损性能转变的变相温度；σ为应力；CM、CA分别为马氏体转相变的开始温度与结束温度。

3 实验结果

3.1 硬度判断

实验中统计记忆合金的硬度变化情况，最终的实验结果显示2 号合金的硬度最高，达到了394 HV，而3 号合金的硬度最低，仅为176 HV。实验中发现，随着马氏体相变温度的提升，NiTi 形状记忆合金的硬度明显下降。其中：当温度提升至20 ℃时，实验中检测到NiTi 形状记忆合金的硬度为最小值；随着温度的进一步提升，记忆合金开始出现硬化现象，最早出现在温度约为40 ℃；在达到40 ℃这一临界点后，可以发现随着时间的推移，原材料的硬度快速上升，最终达到最大值（2 号合金的395 HV）。出现这一结果的原因可能为沉淀相的形核强烈依赖马氏体相变温度，而最佳的马氏体相变温度可以在理想的相组成下获得最佳硬度值。实验中还发现最佳马氏体相变温度值为35 ℃，同时硬度会随着Ni 分子原数的变化而发生变化。

实验中，在评估合金的硬度值后，显微硬度值发生了先下降后上升的变化。尤其是当合金组分中Ni原子接近等原子比的情况下，合金的硬度值达到最高点。因为含有单相β合金的马氏体相变温度接近室温，且含马氏体相合金的马氏体相变温度与单相β合金的马氏体相变温度高，且合金中的Ni 原子分数对最终检测结果有直接影响，所以在实验中合金的硬度变化趋势必然会受到合金相组合模式、Ni 含量等相关数据的影响。所以，根据这一结果的评估可知，NiTi 形状记忆合金的硬度值与Ni 源自分数、马氏体相变温度之间存在相关性。本次实验所选择的6 种NiTi 形状记忆合金，含有单相β的合金硬度显著高于“M”合金与“β+M”的合金。而当摩擦热使合金温度快速上升并达到相变温度的临界点后，其抗磨性会受合金硬度和应变硬化效应等因素的影响。

本文证实2 号合金的硬度明显高于其他合金，且随着温度上升，其他5 个合金的强度均出现快速下降的现象，相应的磨损问题也变得更加严重。但是，相比之下，2 号合金依然能够维持相对满意的耐磨性能。对于“β+M”合金，其硬度变化存在一个明显的趋势，即β含量越高，合金的硬度越满意，这相对于相组成的马氏体合金而言同样适用。该金属材料的硬度变化与Ni 含量之间存在相关性。所以，根据实验数据可以发现，硬度作为金属材料的关键指标，不仅影响材料及其力学性能，也是决定材料抗磨损性能的重要因素，不容忽视。

3.2 合金抗粘着磨损的实验分析

根据实验中对合金金属材料的性能分析结果可以发现，NiTi 形状记忆合金的抗磨损性能与合金的硬度、马氏体相变温度的转变温度有关。结合实验数据结果可以发现，与干摩擦相比，在本文所选择的6 种合金中，2 号、3 号、4 号、5 号合金的磨损质量较小，磨损的破坏量控制在0.5～1.3 mg。尤其是单相β合金中，记忆合金的磨损破坏几乎忽略不计，磨损量相对稳定。但是需要注意的是，含有马氏体的合金质量损失较为严重，证明合金的抗磨损性能不满意。实验结果发现，1 号合金的硬度偏低，抗磨损性能不理想。通过对比实验前后的相关数据，结果显示该合金的磨损量达到了2.8 mg，显著高于其他5 种记忆合金。相比之下，2 号合金因为硬度更高，抗磨损性能更好，所产生的摩擦损伤更小。

通过开展干摩擦实验可以发现，实验过程中TiNi合金发生合理诱发马氏体相变后，导致其弹性变形量出现显著变化。在这一作用机制下，弹性变形能力的增强可以显著提升合金出现塑性变形的临界载荷值，导致在抗磨实验中磨粒在合金表面划过性产生犁沟的概率下降，在合金磨粒荷载作用的影响下会出现不同程度的弹性变形现象，可将磨粒的动能转变为弹性变形的能量。此时，磨粒对原材料表面的破坏作用下降，可能是部分NiTi 形状记忆合金出现较小磨损的主要原因[3-4]。记忆合金所具备的塑性应变和塑性应变区域明显小于不锈钢，可以缓解犁沟周围的隆起或者沟底部位硬化问题。应变温度在一定程度上会影响工作温度范围内的合金组织参数，只有处于母相的合金，才能在外部应力作用的影响下出现马氏体相变[5]。根据本文的实验分析可以发现，2 号合金的硬度更高，具备的抗滑移变形能力更强。相比之下，3 号、4 号、5 号合金的相变温度更高，加之6 号合金室温组织为马氏体相，且因为母相具有超弹性但马氏体相无超弹性，所以会造成塑性变形问题，是3 号、4 号、5 号NiTi 形状记忆合金超弹性显著优于6 号的主要原因。相应的，上述3 个合金的抗磨性能也显著优于6 号。实验发现，随着摩擦的深入，因为摩擦所产生的热会导致温度快速上升，最终超出合金相变温度上限，而相变温度偏低的合金难以维持自身超弹性。所以，随着温度的升高，NiTi 形状记忆合金的抗磨损性能升高趋势属于正常现象。

在上述实验的基础上，本文通过金相显微镜观察NiTi 形状记忆合金干摩擦后的光学显微照片。根据观察结果可以发现，含有单相β的3 个合金和硬度最高的2 号合金的外貌较为相似。但是，相比之下，2 号合金表面的犁沟现象不明显，而5 号合金在实验后发现表面的粘着情况相对严重，并伴有严重的材料撕脱痕迹，证明该材料的磨损相对严重。