CuZnAl合金中塑性形变诱发的相变

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1992.05.016 第14卷第5期 北京科技大学学报 Vol.14No.5 1992年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1992 CuZnAl合金中塑性形变诱发的相变 何家接· 黄源倜* 李辉 摘要：通过一个扭转循环使CuZA!合金产生塑性形变，用电阻法对塑性形变诱发的相变以及 塑性形变的诚小对诱发形成相的影响进行研究，结果表明：诚小样品的塑性形变使已形成的 应力马氏体消失，也使再取向马氏体部分消失，此外，在相变温区，塑性形变将使未完全长 大的热弹性马氏体长大，面塑性形变的减小对长大后的热弹性马氏体没有影响。 关键词：热弹性马氏体，形状记忆合金，相变 Phase Transformation Induced by Plastic Deformation in CuZnAl Alloy He Jiajie·Juang Yuanti·Li Hui· ABSTRACT:A plastic twist cycle was used to deform CuZnAl alloy.The second half twist cycle (SHTC),contrast to the first half twist cycle (FHTC),is to decrease plastic deformation in the alloy. The phases induced by the plastic deformation of FHTC and the influence of the plastic deformation during SHTC on them were studied by electic resistance method. KEY WORDS:thermoelastic martensite,shape memory alloy,phase transformation 人们对应力作用下CuZnAl合金的相变行为已有些研究a-别。通常认为，当样品受应力作 用时，在M,与M。(M>A)温区有应力马氏体(SIM)产生，在低于M温度S1M及马氏体 再取向出现，在低于M:温度只有再取向过程。此外，也有18R马氏体在应力作用下向2H马 氏体相变的报导《-”。本文研究塑性形变对产生的SM和再取向马氏体的影响。 ①1991-10-24收稿 ,物理系(Department of Physics) ·588·

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 反 咚 合金 中塑性形变诱发的相变 ① 何 家接 ‘ 黄 源调 ‘ 李 辉 ’ 卜臼 摘要 通过一 个扭转循环 使 合金 产生 塑 性形 变 ， 用 电阻法对塑性形变诱发 的相变以 及 塑性形变 的减小对 诱发形成相 的影响进行研究 。 结果 表 明 减小样 品 的塑性形变使 已形成 的 应力 马 氏体消失 ， 也使再取 向马 氏体部分消 失 。 此外 ， 在相变温 区 ， 塑性形 变将使未完全 长 大的热弹性马 氏体长大 ， 而 塑性形 变的减小 对 长大后 的热弹 性马 氏体没 有影 响 。 关健词 热弹性 马 氏体 ， 形状 记 忆 合金 ， 相 变 夕绝 什 关入乙 餐 乞 物坛 怪 ， 丘 加 ， 应 忱 ， ， 人 们对应力作用下 合金 的相变行为 己有些研 究 〔，一 ，。 通常认为 ， 当样品受应力作 用时 ， 在 与 。 击 温 区有应力马 氏体 产生 ， 在低于 从 温度 及 马 氏体 再取 向出现 ， 在低于 此 温度只有再取 向过程 。 此 外 ， 也有 马 氏 体在应 力作 用下 向 马 氏体相变的报导 〔 ‘ 一 句 。 本文研究塑性形变对产生 的 和再取 向马 氏体的影 响 。 ① 一 一 收稿 ， 物理 系 。 外 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．05．016

1实 验 1.1实验样品 为了避免应力下18R+2H相变产生的电阻变化对实验结果的影响，样品选用有色金属研 究总院提供的Cu一25.6Zn一3.8A1(%)记忆合金细丝，该样品的电子数与原子数之比e/ a=1.41,因此其马氏体相是9R结构。样品长为120mm,直径是1.5mm。样品先在850℃ 温度退火0.5，随后空冷到室温（大约20℃），最后在100℃水中时效1h。经过上述处理，样 品中存在母相P热弹性马氏体相变，相变温度分别为：M.=36℃，M:=一10℃，A=20℃， A=42℃。 1.2实验过程 在实验中，电阻采用标准四接头法通过UJ31电位差计测量；而扭转塑性形变角用量角器 测量。样品先从80℃冷却到某一恒定温度，然后被扭转以产生，度的塑性变形；与此同时测 量电阻变化值△R。在扭转过程中，采用一个扭转循环，第一半循环使塑性形变角，从0°增大 到360°，第二半循环则使，再减小到0°。 4 2结果及讨论 图1是样品的电阻与温度的关系曲线。从图上可以看出，马氏体状态下的电阻比母相状 态的高。两态下电阻的不同是用电阻法研究塑性形变诱发相变的基本点。 图2、3、4是在3个不同温区的1组△R- ,曲线。尽管曲线的形式随温度改变，当> 240°时，△R都与0，有近似的线性关系，只是斜 ●Cewi1g 5.6 or3t0” 率随温度改变。斜率随温度的变化关系曲线于 5.4 图5，其中K、K,分别是第一、二半循环中 5.2 >240时的△R-r曲线的斜率。从图3(a)、4 .0 (a)可见，当0.90°时，△R随，增大而急剧 -20 7/ 上升，且在同一，下△R的量又随温度改变， 为此图6(a)为.=90°下△R值随温度的变化 图【热处理后样品的电阻一温度曲线 曲线，图6(b)曲线是从图2(b)、3(b)4 Fig.I Electric resisance-temperatures curves (b)中当A经历一循环回到0度时的△R值随 of heat treated specimen 温度变化而得。 2.1在高于M,的温度区 从图2(a)、2(b)可见，当温度大于48℃时，随，增大，△R先减小后增加，但改变量 ·589·

实 验 实验样品 为 了避免应力下 一 相变产 生的 电阻变化对实验结果 的影 响 ， 样品选用 有色金属 研 究总院提供的 一 一 记忆合金细丝 ， 该样 品的 电子数与原子数之 比 。 一 ， 因此其马氏体相是 结构 〔 〕 。 样 品长为 ， 直径是 。 样 品先在 ℃ 温度退火 ， 随后空冷到 室温 大 约 ℃ ， 最后 在 ℃ 水 中时效 。 经过上述处理 ， 样 品 中存在母相 与热弹性 马 氏体相变 ， 相变温度分别为 从一 ℃ ， 万 一 ℃ ， ℃ ， 一 ℃ 。 实验过程 在实验 中 ， 电阻采用 标准 四接头法通过 电位差计测量 而扭转塑性形变角用量角器 测 量 。 样 品先从 ℃ 冷却到某一恒定温度 ， 然后被扭转以产生 外 度的塑性变形 与此 同时测 量 电阻变化值△ 。 在扭转过程 中 ， 采用一个扭转循环 ， 第一半循环使塑性形变角 外 从 增大 到 ， 第二半循环则使 外 再减小到 。 结果及讨论 图 是样 品的 电阻与温度的关系 曲线 。 从图上可以 看出 ， 马 氏体状态下的 电阻 比母相状 态的高 。 两态下 电阻的不 同是用 电阻法研究塑性形变诱 发相变的基本点 。 图 、 、 是在 个不 同温 区的 组△ 一 外 曲线 。 尽管 曲线的形式随温度改变 ， 当 先 时 ， △丑 都与 外 有近似的线性关系 ， 只是斜 率随温度改变 。 斜率随温度的变化关系 曲线于 图 ， 其 中 ，、 分别是第一 、 二半循环 中 再 时的△厅一 夕， 曲线的斜率 。 从图 、 可见 ， 当 氏 时 ， △ 随 外 增大而急剧 上 升 ， 且 在 同一 外 下△ 的量又随 温度改变 ， 为此图 为 外 。 下△ 值随温度的变化 曲线 ， 图 曲线是从 图 、 中当 先 经历一循环 回到 度时的△ 值随 温度变化而得 。 里 图 · 热处理后样 品 的 电阻 一 温度 曲线 】 一 阳 在高于 的温度区 从图 、 可见 ， 当温度大于 招 ℃ 时 ， 随 增大 ， △ 先减小后增加 ， 但改变量 · ·

很小。说明T>48.0℃时塑性形变己基本上不能诱发应力马氏体SM产生。而T=40.3℃的 两条曲线则意味着母相PSM相变被诱发。在第一半循环时，r增大，△R变大一即P→ SM出现；而在第二半循环中，△R随减小而减小，当。回到0度时△R基本为02，这说 明第一半循环时产生的SM在第二半循环中逐渐减少直到完全消失。这个结果表明，SM形 成后是靠内应力的存在而稳定的，当塑性形变减小使内应力去除后，SM→P相变发生。 2. 2.00 1. ●62.7C 0,1 01.1 g 1.5 88c 1.0 h 36 1,0 0.5 .0 0.0 -.' 160 241 520 -0.5L 80 160 240 /. Bp/Deg. (a)第一半循环（增大r) (b)第二半循环（减小，） 图2T≥M.时△R一r曲线 Fig.2△R一0 e curves at T≥Ms 2.2在低于M,温度区 在T<M:时，第一半循环的△R一曲线有两个阶段，开始时△R增大较快；随后变慢直 到线性增加。但各温度下的直线有相同的斜率（见图5中的K:一T曲线），且斜率值比40.3℃ 时的小。由于360°的塑性形变量远小于记忆效应的形变极限，第二阶段，△R一9，的线性关系 显然是马氏体再取向的结果，即再取向过程仍使△R增大，只是单位所造成的△R增量比P →SM过程的小（因此斜率值小）。 在T<M:时，第二半循环过程中△R基本不变。这意味着在，减小时，一方面使已再取 向的马氏体部分消失（向热弹性马氏体转化），使△减小；另一方面又使一些原本没有再取 向的马氏体再取向，从而使△R增大。综合结果使△R总量保持不变。 2.3M.>T>M:温度区 在M>T>M:温度区的第一半循环中，△R一也有明显的两个阶段.初始阶段(0<90) 的特征可从图6的（△R-T),-曲线得到；第二阶段仍是直线，但斜率随温度有很大的变化 (见图5的K-T)。 图6中的（△R一T)。,=0曲线有一个出现在10℃的峰，10℃恰好是M,与M:的中间温度。 说明在第一半循环的初始阶段可能使没有完全长大的热弹性马氏体长大。在M>T>M:时， 样品中存在没有完全长大的热弹性马氏体，这类马氏体的数目随温度改变，大约在M,与M: ·590

很小 。 说明 ， ℃ 时塑性形变己基本上不能诱发应力马 氏体 产生 。 而 全一 钓 ℃ 的 两条 曲线则意 味着母相 匀 相变被诱发 。 在第一半循环 时 ， 外 增大 ， △ 变大－ 即 出现 而在第二半循环 中 ， △ 随 外 减小而减小 ， 当 岛 回到 度时△ 基本为 。 。 ， 这说 明第一半循环 时产生 的 在第二半循环 中逐渐减少直到完全 消失 。 这个结果表 明 ， 形 成后是靠 内应力的存在而稳定的 ， 当塑 性形 变 减小使 内应力 去除后 ， 一 相变 发 生 。 〕下不 止止二工二一 了， 之江 卜们’ 卜 。 一 。 匕‘ 计 一 今 夺 多 仁 沪 只了︸工了 汗乌日 ﹀ 、 罗 飞了一口 多 今 。 第一半循环 增 大 外 第二半循环 减小 外 图 万 时△ 一 外 曲线 △ 一 外 在低于 ， 温度 区 在 ， 时 ， 第一 半循环 的△ 一 外 曲线有 两个 阶段 ， 开 始时△ 增大较快 随后变慢 直 到 线性增加 。 但各温度下的直线有相同的斜率 见 图 中的 一 曲线 ， 且斜率值 比 ℃ 时的小 。 由于 的塑性形变量远小于记忆效应的形变极限 ， 第二 阶段 ， △ 一 外 的线性关系 显然是 马 氏体再取 向的结果 ， 即再取向过程仍使△ 增大 ， 只是单位 外 所造成的△ 增量 比 过程 的小 因此斜率值小 。 在 ， 时 ， 第二半循环过程 中△几 基本不变 。 这意味着在 外 减小时 ， 一方面使 己再取 向的马 氏体部分消失 向热弹性马 氏体转化 ， 使△ 减小 另一方面又使一些 原本没有再取 向的马 氏体再取 向 ， 从而使△ 增大 。 综合结果使△ 总量保持不变 。 ‘ 少 ， 温度区 在 ， 温度 区的第一半循环 中 ， △ 一 外 也有 明显 的两个 阶段 。 初始 阶段 外 “ 的特征可从图 的 △ 一 ‘ 一 。 ’ 曲线得到 第二 阶段仍是直线 ， 但斜率随温度有很大的变化 见图 的 ，一望 。 图 中的 △ 一少 ‘ ’ 曲线有一个 出现 在 ℃ 的峰 ， ℃ 恰好是 ， 与 的 中间温度 。 说 明在第一半循环的初始 阶段可能使没有完全长大 的热弹性马 氏体长大 。 在 ， 时 ， 样品中存在没有完全长大的热弹性马 氏体 ， 这类马 氏体的数 目随温度改变 ， 大约 在 万 与 从 ·

K(a T<M <M 2.0 2.0 8/- 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0-12,6℃ ●-12， 0.0 0.0 o-35t -33C -0.5 0-46.2℃ -0.5 9-46.2t 240 320 80 160 240 320 160 Bp/Deg. 0p/Deg. (a)第一半循环 (b)第二半循环 图3T<M:时△R-r曲线·· Fig.3△R-p curves at T≤M: 3.0 2. : 1. 11.0F Ms.T.M -11.3 】241 2 240 1. /Deq. (a)第一半循环 (b)第二半循环 图4M,>T>M:温度区的△R一m曲线 Fig.4 AR-bp curves at M,>T>M 的中间温度达到一个极大值。由于这种马氏体在应力作用下的长大无需形核，它们可以在塑 性形变的初始阶段长大，并使△R急剧增加。应当指出这种长大后的热弹性马氏体的形貌与真 正的热弹性马氏体可能不同，此时只有顺应塑性形变方向的马氏体变体才可长大。显然，当 T<M,的第一半循环的初始阶段也出自同样的原因，说明在T<M:后，仍然有一些未完全长 大的热弹性马氏体存在。 图4(a)的第二阶段(0>90)，△R-r基本为直线，但各直线的斜率随温度而异。26℃ 的斜率最大，而T>26℃或<26℃的斜率均变小（见图5的K:一T曲线），这种情况下反映了 P→SM及再取向过程的综合结果，K,-T曲线是随温度下降，诱发SIM的临界应力减小)，使 SIM易于诱发，从而产生越来越多的SM,使斜率随温度下降而上升；另一方面，温度下降也 使样品中的热弹性马氏体变多，这样诱发再取向也越来越多。由于单纯再取向的斜率比单纯 产生SM的小，当T<26℃后，斜率下降，到T低于M:后，母相己很难存在，只有再取向被 ·591·

厂 叮口产叱、 ‘ 一 ℃ 一 飞犷飞 弋 一 多， 仁－ 一 。 ， 戈 对‘ ‘ ， ，曰曰口 国 阵华乎共井二彭牛尹二蕊舀己月 二二二卫刁卜‘ ， 州 匕‘ ， 一 ， 一 佗 一 仁 一 少 ‘ 。 一 · ‘ 气 。 、口叱沐 多 即 第一半循环 图 万 ， 时△ 一 第二 半循环 曲线 坛 △ 一 外 镇万 易鉴生攀 日 日 卜 一 、 少 一试尸 乙 州钊门曰州︸· 日门川杏日 。口一、七 第 一 半循 环 第二 半 循环 ︸ 图 ， 形 温度 区的△ 一 即 曲线 论 △君 一 夕 形 对， 的 中间温度达到 一个极大值 。 由于这种 马 氏体在应力作用下 的长大无需形核 ， 它 们可 以在塑 性形变的初始阶段长大 ， 并使△ 急剧 增 加 。 应 当指 出这种长大后 的热弹性 马 氏体的形貌与真 正 的热 弹性马 氏体可能不 同 ， 此时 只有顺应塑性形变方 向的马 氏体变体才可长大 。 一 显然 ， 当 ， 的第一半循环 的初 始阶段也 出 自同样 的原 因 ， 说 明在 麟 后 ， 仍 然有一些未 完全长 大 的热弹性 马 氏体存在 。 图 的第二 阶段 先 ， △ 一 外 基本为 直线 ， 但各直 线的斜率随温度而 异 。 ‘ 的斜率最大 ， 而 ℃ 或 ℃ 的斜率均 变小 见 图 的 。 一 曲线 ， 这种情况下反映 了 及再取 向过程 的综合结果 。 一 曲线是随温度下 降 ， 诱发 的临界应力减小 〔即 ， 使 易于诱发 ， 从而产生越来越多的 ， 使斜率随温度下降而上升 另一方面 ， 温度下降也 使样 品 中的热弹性 马 氏体变 多 ， 这样诱发再取 向也越来越多 。 由于单纯再取 向的斜率比单纯 产 生 的小 ， 当 全 ℃ 后 ， 斜率下降 ， 到 切 低于 麟 后 ， 母相 己很难存在 ， 只有再取 向被 · ·

2.0 -220.7-00x 1.0 0.5 o8n-90 0.0 -40 40 T/℃： -0.5 -40 -20 0 T/t 图5.6m>240时△R- 图6△R一T曲线 曲线的斜率与温度的关系曲线 =90°来自第一半循环，=0来自第二半循环。 Fig.5 The slopes K.andKr vs T Curues Fig.6 The AR vs T Curves at cons tant 6p=90 of FHTC ande=0°of SHTS 诱发，因而斜率保持恒定。 在M>T>M:温区，第二半循环的初始阶段(0>240)的△R一，也为直线，各直线的 斜率K.与T的关系见图5。在T>26℃时，K,一T与K,一T基本重合.由于K,对应于a减小， 这种重合意味着SM→P在第二半循环的初始阶段发生。但在T<26C后，K,随温度降低而减 小的幅度比K:快，是由于第二半循环仅使一部分再取向马氏体消失，同时还诱发一些热弹性 马氏体再取向所致（己在T<M:温区讨论）。 第二半循环的结束阶段(0<90)△R-,曲线比较复杂。T=32.2℃时，△R随9n减小 而减小；其他几个温度的△R随减小略有增大。这可能是此阶段有P+SM产生。 当扭转循环结束时，除了T>M,的△R一，曲线外，其他温度的△R都不能回到0（见图 6的（△R-T)。-曲线）。该曲线有一位于10℃的峰，即在M.与M,的中间温度残余的电阻变 化量最大。与（△R一T),=的结果比较，可以认为第二半循环对第一半循环中长大的热弹性 马氏体可能没有明显影响。但（△R一T)。的峰值比（△R一T)g,的小得多，这是由于第二 半循环不能使再取向马氏体完全消失，且诱发新的再取向过程及P→SM,结果使△R量增大 所致。 3结 论 在40.3℃和26℃之间，塑性形变主要诱发P→SM相变，一旦SM形成，随着样品中塑 性形变的减小，SM又向母相P相变。在M,与M:温区，塑性形变首先使未完全长大的热弹 ·592·

子 一 ， “ 二 亡 寸心卜叱 曰口卜 曰咤卜口，一 一 瓦 、 旨。 ·卜狱尸丫 一 夺 一 口 会 叭 ℃ 图 外 少 时△丑一 外 曲线的斜率与温度的关 系 曲线 ， ， 图 △ 一 曲线 夕， 一 。 来 自第一半循环 ， 外一 来 自第 二 半循环 。 △ 外 外 诱发 ， 因而斜率保持恒定 。 在 ， 温区 ， 第二半循环 的初始阶段 外 的△ 一 毋 也 为直线 ， 各直线的 斜率 与 的关系见 图 。 在 ℃ 时 ， 一 与 ，一 ， 基本重合 ， 由于 。 对应于 外 减小 ， 这种重合意 味着 在第二半循环 的初 始 阶段发 生 。 但在 后 ， 随温度降低而减 小的幅度比 ’ 快 ， 是 由于 第二半循环仅使一部分再取向马 氏体消失 ， 同时还诱发 一些热弹性 马 氏体再取 向所致 己在 少 ， 温 区讨论 。 第二半循环 的结束阶段 先 △ 一 外 曲线 比较复杂 。 ‘ 时 ， △ 随 ， 减小 而减小 其他几个温度 的△ 随 外 减小略有增大 。 这可能是此 阶段 有 一 产生 。 当扭转循环结束时 ， 除 了 望 的△ 一 ， 曲线外 ， 其他温度 的△ 都不能 回到 见 图 的 △ 一 、 二 ， 曲线 。 该 曲线有一位于 ℃ 的峰 ， 即在 与 的中间温度残余的 电阻变 化量最大 。 与 △ 一 约 一 、 的结果 比较 ， 可 以认为第二半循环对第一半循环 中长大的热弹性 马 氏体可能没有 明显影响 。 但 △ 一 钧 。 一 的峰值 比 △ 一 、 一 。 的小得多 ， 这是 由于 第二 半循环不能使再取 向马 氏体完全 消失 ， 且诱发新的再取 向过程及 一 ， 结果使△ 量增大 所致 。 结 论 在 ℃ 和 ℃ 之 间 ， 塑性形变主要诱发 一 相变 ， 一旦 形成 ， 随着样品 中塑 性形变的减小 ， 又 向母相 相变 。 在 风 与 温 区 ， 塑性形变首先使未完全 长大 的热弹 ·