电场对CuZnAl合金记忆效应的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.0M.018 第17卷第4期 北京科技大学学报 Vol.17 No.4 19958Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.19% 电场对CuZnA1合金记忆效应的影响 何家接)王玉芳)杨明珍)余洪信) 1)北京科技大学物理系，北京1000832)北京联合大学建材轻工学院 精要在热处理时加一定的静电场，研究了电场处理对CZ41合金记忆效应及相变的影响.实 验结果表明，正电场处理使相变温度略为下降；而对马氏体相变量及单向恢复率均有提高， 关健词形状记忆效应，马氏体相变，相变温度 中围分类号TG139,TG151.2 Influence of Static Electric Field on Shape Memory Effect in CuZnAl Alloy He Jiajie)Wang Yufang)Yang Mingzhen?)Yu Hongxin) 1)Department of Physics,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Structure Materials Engineering College,Beijing United University ABSTRACT The influence of static electric field on the properties of phase transformation and shape memory effect in CuZnAl SMA has been studied by applying static electric field to the alloy during aging.It is found that static electric field slightly decreases transformation temperatures,and it increases the amount of martensite and shape recovery rate of the alloy. KEY WORD shape memory effect,martensite transformation,transformation temperature 在众多的记忆合金中，铜基合金以其价格低、制作方便具有广泛的应用前景·然而铜基 合金的记忆性能及其稳定性均劣于T合金.为改善其性能，一种方法是应用急冷制备样 品a.刘；另一种方法是在铜基合金中添加微量的其他元素（如Mn,Ti,B及稀土元素等）3~引 本文采用电场热处理的方法对Cu☑A1合金进行热处理，借此改善其性能，并通过电阻和形 状恢复率的测量，研究了电场处理对该合金相变的影响， 1实验过程 本实验所用样品由北京有色金属研究总院提供.其成分为：Zn26.1%，,A13.7%.其余为 Cu,样品为长120mm,直径1.01mm的线材. 热处理装置见图1，外层是内、外直径分别为8mm、10mm的铜管，中间层是石棉，内层 是1根小陶瓷管，样品置于陶瓷管中.直流电源输出0~2200V的电压，输出两端分别与 铜管和样品连接·用此方法可在热处理时改变样品的电子浓度分布，以达到与其他电场处理 1993-11-30收稿 第一作者男30岁项士副数授

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 望巧 年 月 丁 吨 心 呢 】望巧 电场对 合金记忆效应 的影 响 何 家接 ‘ 王 玉 芳 ’ 杨 明珍 余洪信 ‘ 北京科技大学物理 系 ， 北京 北 京联合大学建材 轻工 学 院 摘要 在热处理 时加一定 的静 电场 ， 研究 了 电场处理对 诬乙旧牡 合金记忆效应及 相 变 的影 响 实 验结果表 明 ， 正 电场处理使相 变温度略为下 降 而 对马 氏体相 变量及单 向恢复率均有提高 关健词 形状记忆效应 ， 马 氏体相 变 ， 相 变温度 中图分类号 ， ℃ 九叼 月 记’ 瓦 ” ’ ’ ， ， ， ， 幻 蛋众 几叼 卜笼 。 加 丑 功留 ， 民习 改 压众 ， ” 加 ， 加 在众多 的记 忆合金 中 ， 铜基合金 以其价格 低 、 制作方便具有广泛 的应用前景 然而 铜 基 合金 的记忆性 能及其稳定性均 劣于 合金 为改 善其性 能 ， 一 种 方 法 是 应 用 急 冷 制 备 样 品 ， 另 一种方 法是在 铜基 合金 中添加微量 的其他元 素 如 ， ， 及 稀 土元 素 等 ’ 一 ’ 本文采用 电场热处理 的方法 对 合 金 进行 热处理 ， 借 此 改 善其性 能 ， 并 通过 电 阻 和 形 状恢复率 的测 量 ， 研究 了 电场处理 对该 合金 相 变 的影 响 实验过程 本实验所 用样 品 由北 京 有 色金 属研究总院提供 其成分为 ， 其 余 为 样 品 为 长 ， 直 径 刀 的线材 热处理 装置见 图 ， 外 层是 内 、 外 直径分别 为 、 的铜管 ， 中间层是 石棉 ， 内层 是 根小 陶瓷 管 ， 样 品置于 陶瓷 管 中 直 流 电源输 出 一 的 电压 ， 输 出 两 端 分 别 与 铜管和样 品连接 用 此方法 可 在 热处理 时改 变样 品 的 电子 浓度分布 ， 以 达到 与其他 电场处理 一 一 收 稿 第 一 作 者 男 岁 硕 士 副教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．04．018

·39% 北京科技大学学报 1995年No.4 方法相同的效果， 把装置放人热处理炉中，炉温恒定在850 ℃，同时在铜管和样品间加上一定的电压，待 退火l0min后，电压不断开而取出样品空冷 8888888 (室温约20℃).用此方法共处理了6个样 品，样品处理过程所加的电压值为(V):1#0, 2#+300,3#+600,4#+880,5#+1000, 6#-1850.其中：“+”指样品接正极，铜管接 负极，“一”指样品接负极，铜管接正极. 处理后的样品均在100℃水中时效1h,然 图1热处理装置 后进行电阻测量，电阻测量用4端点接线法，对各个样品都保持两电压测试端点的距离为 100mm测量时，先将样品加热到100℃，随后降温，测量1个热循环， 测完电阻的样品用扭转法测其恢复率[61.把样品夹好并冷却到0℃，扭转样品以产生360° 的塑性变形角0，；然后升温到120℃，测其单向恢复后的角度0。；最后再冷却到0℃，测 出低温相恢复角日m·单向恢复率”。和双向恢复率n,的计算公式分别为： n,=[0。-0.)/0J×100% 1,=[(0m-0.)/0,]×100% 2 实验结果及讨论 2.1实验结果 (a) 1.28 139b) 1.24 1.35 1.20 1.31 1.16 1.27 oU=0V ·加热 。冷却 1.12 ●U=300V 1.23 45 85 125 020406080100120 Ty℃ TI℃ 图2样品的电阻一温度曲线 ()图中“。”为1号样品，“·"为2号样品，箭头表示变温方向；(b)为6号样品

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 方法相 同的效果 把 装 置 放 人 热 处理 炉 中 ， 炉 温 恒 定 在 ℃ ， 同时在 铜 管 和 样 品 间加 上 一 定 的 电压 ， 待 退 火 面 后 ， 电 压 不 断 开 而 取 出 样 品 空 冷 室 温 约 加 ℃ 用 此 方 法 共 处 理 了 个 样 品 ， 样 品处理 过 程 所 加 的 电 压 值 为 ， ， ， 护 ， 旧 ， 一 其 中 “ ” 指 样 品 接 正 极 ， 铜 管 接 负极 ， “ 一 ” 指样 品接 负极 ， 铜管接 正极 处理后 的样 品均在 ℃ 水 中时效 ， 然 后 进行 电阻测 量 电阻测量 用 端 点接 线 法 ， 一 十 图 热处理装 对各 个 样 品都 保 持 两 电压 测 试 端 点 的距 离 为 皿 测 量 时 ， 先将样 品加 热到 ℃ ， 随后 降温 ， 测 量 个热循环 测 完 电阻 的样 品用扭转法 测其恢复率 「 把样 品夹好并冷却到 ℃ ， 扭转样品以产生 。 的塑性变形 角 然后 升温到 ℃ ， 测 其单 向恢 复 后 的角 度 。 最 后 再 冷 却 到 ℃ ， 测 出低温相 恢复 角 单 向恢复率 叮 和双 向恢复 率 叮 。 的计算公式分别为 叮 。 一 。 叮 一 』 实验结果及讨论 实验结果 价、 丫 ，‘ ， 、 加热 。 冷却 一 、， 一 。一“ 叫、 ℃ 图 图 中 “ 。 ’ 为 号样 品 ， “ · 样品 的电阻 一 温度 曲线 ” 为 号样 品 ， 箭 头表示 变温方 向 为 号样 品

Vol.17 No.4 何家接等：电场对CuZnAl合金记忆效应的影响 .397. 电阻测量结果见图2.由于所有加正电压处 表1单、双向恢复率 理的样品(2~5号)的电阻一温度曲线相 样品号123456 似，只是各样品的相变温度和电阻值有些差异， /%647974757363 恢复率测量结果见表1. n/%141517171612 2.2讨论 (1)电场处理对相变温度的影响 表2电场处理对相变温度的影响 从样品的电阻一温度曲线可确定相变点温度样品号123456 M、M、A,、A,结果见表2. M./℃727266626881 由表2可见，电场处理使加正电压的4个样品M/℃485244450 (2~5号)的相变温度均有所下降，且大致上随 A,/℃656564576168 正电压的增加相变温度下降，对加负电压的6号 A:/℃82776717585 样品，降温电阻曲线出现反常的波动现象，见图2(b),因而无法确定M,但M,却大幅度上 升，A,、A,也略有上升· (2)电场处理对马氏体相变量的影响 电阻曲线中电阻的峰值与谷值之差可表征参与相变的马氏体量的多少).由于6号样品 降温曲线的反常波动，在讨论中采用升温曲线的峰、谷值之差△R以显示电场处理对马氏 体量的影响，其结果得△R(×10-22)分别为：1-0.095；2-0.130；3-0.125；4-0.1265：0.121； 6-0.030. 显然，加正电压的样品的△R值（即马氏体量）与未加电压相比有大幅度升高，当 U=+300V时(2号)，△R达0.13×10-22.随正电压增加，△R略有下降.因此这种 热处理方法对提高记忆性能有较好的效果，而加负电压的6号样品，其△R与未加电压相比 则大幅度下降· (3)电场处理对恢复率的影响 由表2可见，加正电压的样品，其单向恢复率”，有较大的升高，当U=+300V时，”。 达79%，随正电压加大，”，也略有下降·这个结果与马氏体相变量随正电压的变化规律相 同，说明了马氏体量与恢复率有关·然而，加正电压时，双向恢复率”，基本没什么变化· 由此可见，加正电压处理可以提高”，· 对加负电压的样品，与未加电压相比，其”。、”，基本不变， 一般而言，马氏体量越高，”，越大[)这与加正电压处理的样品的实验结果相吻合·但对 6号样品，其△R仅为0.03×10-2Ω，而n,仍高达63%.至于其中的原因以及其降温电阻 曲线出现的反常现象，光凭电阻测量尚不能说明，有待进一步的研究· 3结论 (1)电场热处理可改变CuZA1合金的相变温度.加正电压时，相变温度随电压增

何 家 接 等 电场 对 合金 记 忆 效 应 的 影 响 巧 电阻测 量结果见 图 由于所有加正 电压处 理 的样 品 一 号 的 电 阻 一 温 度 曲 线 相 似 ， 只是 各样 品 的相 变温度和 电阻值有些差 异 恢复率测 量结果 见表 表 单 、 双向恢复率 样 品号 小 醉 叮了 讨论 电场处理 对相 变温度 的影 响 从样 品 的 电阻 一 温度 曲线可 确定 相 变 点 温 度 、 、 。 、 ， 结果见表 由表 可见 ， 电 场处理 使加正 电压 的 个样品 号 的相 变温度均有所下 降 ， 且大 致上 随 正 电压 的增 加 相 变 温 度 下 降 对加 负 电压 的 号 表 电场处理对相变温度的影 晌 样 品号 肠麟 研父 ℃ ℃ ℃ ℃ 样 品 ， 降温 电阻 曲线出现反 常 的波 动现象 ， 见 图 伪 ， 因而 无法 确定 ， 但 却大 幅度上 升 ， 、 也略有上 升 电场处理 对马 氏体相 变量 的影 响 电阻 曲线中电阻 的峰值与谷值之差 可表征参与相 变的马 氏体量 的多 少 「 由于 号 样 品 降温 曲线的反 常波 动 ， 在讨论 中采 用 升温 曲线 的峰 、 谷值之差 △ 以 显 示 电 场 处 理 对 马 氏 体量 的影 响 ， 其结果得△尺 一 ’ 分别 为 一 一 一 一 一 显然 ， 加正 电压 的样 品 的 △ 值 即 马 氏体量 与 未 加 电 压 相 比 有 大 幅 度 升 高 ， 当 时 号 ， △ 达 魂 随正 电压增加 ， △ 略 有 下 降 因 此 这 种 热 处理方法 对提高记忆性 能有较好的效果 而加负电压的 号样 品 ， 其 △ 与未加 电压相 比 则大 幅度 下 降 电场处理 对恢复率 的影 响 由表 可见 ， 加 正 电压 的样 品 ， 其单 向恢 复率 叮 有 较 大 的 升 高 ， 当 时 ， 叭 达 ， 随正 电压加大 ， 粉 也 略 有 下 降 这 个 结 果 与 马 氏体 相 变 量 随 正 电压 的 变 化规律 相 同 ， 说明 了马 氏体量 与恢复率 有 关 然 而 ， 加 正 电压 时 ， 双 向恢 复 率 叮 基 本 没 什 么 变 化 由此可见 ， 加 正 电压处理 可 以 提 高 叮 对加 负 电压 的样 品 ， 与未加 电压相 比 ， 其 叮 、 叮 ， 基本不 变 一般而 言 ， 马 氏体量 越 高 ， 叮 ， 越大 】 这与加正 电压处理 的样 品的实验结果相吻合 但 对 号样 品 ， 其△ 仅为 一 ， 。 ， 而 粉 仍 高达 至于其 中 的原 因 以 及 其降温 电 阻 曲线出现 的反 常现象 ， 光凭 电阻测量 尚不 能说 明 ， 有待进一步 的研究 结 论 电场热处理 可 改 变 合金 的 相 变 温 度 加 正 电压 时 ， 相 变 温 度 随 电压增

·398· 北京科技大学学报 1995年No.4 加而下降；加负电压时相变温度上升， (2)加正电压处理可提高CuZA1合金的马氏体相变量，从而提高其单向恢复率n, 但双向恢复率”，基本不变， (3)加负电压处理的CuZA1合金，其降温电阻曲线出现反常的波动· 参考文献 1 Perking J.Grain Boundary Structures in Rapidly Solidified CuZnAl Alloys.Scripta Met,1981,15:771~778 2 Wood J V.The Effect of Processing Condition and Subsequent Heat Treatment on the Transformation Be- havior of Some Rapidly Solidified Copper-Base Shape Memory Alloys.Met Trans,1984,15A:471~479 3 Adachi Kerji.Crystal Structure of the X-Phase in Grain-Refined CuAINiTi Shape Memory Alloys.Scripta Mt1987,21:453462 4 Zhao Liancheng.Influence of Vacancy-Type Deffects on Reverse Transformation and SME in CuAIZnMnNi Alloy.In:Proc of Symp on SMA.Guilin:China Acadimic Publishers,1986.292~297 5 Han Yos S,Kim Young G.The Effects of Boron and Aging on Mechanical Properties and Martensitic Temperature in CuZnAl Shape Memory Alloys.Scripta Met,1987,21:947~954 6 He Jiajie,Huang Yuanti.A Study of Two-Way Shape Memory Effect in CuZnAl Alloy.J Phys, 1991(3):1617~1621 7王天飞.CZ合金的电阻与内耗研究：「顾士学位论文]，北京：北京科技大学，1988 8何家接.CuZnAl合金在变温、形变下的X射线衍射研究：【硕士学位论文】.北京：北京科技大学，I989

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 加而 下 降 加 负 电压 时相 变温度上 升 加 正 电 压 处 理 可 提 高 几叼 合金 的 马 氏 体 相 变 量 ， 从 而 提 高 其 单 向 恢 复 率 叮 ， ， 但双 向恢复率 ” ， 基本不 变 加 负 电压处理 的 月 合金 ， 其降温 电阻 曲线 出现反 常 的波动 参 考 文 献 氏南吨 山创 七 以 汕 汕丘月 山恤 】 声 幼 ， ， 一 场钦劝 护 玉戏 已粥吨 劝由 记 止润咧 切匡泊 此 招 旧以由 南 能 侧听 伪 一 阮岁 巧 ， ， 凡 一 刃 山 州 哪 切 此 一 处祀 一 助 山叭 汀 曰 月拓那 幼 以 ， ， 肠 刁肠 如川比 沮。 巴蓝笼 从泌阴 夕 犯任改恕 货贬祀 万 们目 对 叼 川叭川嗬 】 找‘ 势的 回肠 为丘以 内渤曲而 乃 血址岛 ， 一 四 阻 沈 ， 萄 厂 祀 任改恕 田记 习 川鹿 妇 斑 及油沐口 眠 公恤 日比。 娜 幼 ， ， 只 一 又 殉沁 ， “ 址币 叭 一 认厄 伍双 山弘 刀 冰 ， 卯 一 王 天 飞 公弘 合金 的 电阻 与 内耗研究 【硕士学位论文 北京 北京科技大学 ， 何家接 公恤 合金在变温 、 形 变下 的 射线衍射研究 硕士 学位论文 北京 北京科技大学