铸造技术
·1138·
FOUNDRY TECHNOLOGY
Vol.35No.6
Jun. 2014
NiTi 形状记忆合金马氏体相变研究
赵海燕1,2，钮文良1，刘
摘
琨1
(1.北京联合大学，北京102249；2. 中国石油大学，北京102249)
要：以NiTi 合金为研究对象，在万能试验机上采用原位拉伸方法研究其马氏体相变的失稳情况。结果表明，
NiTi 合金马氏体形核时的应力应变曲线具有非线性变化特征。马氏体合并时，相变潜热增加了马氏体的形核功。马氏体
分裂时，应力波动值较低。
关键词：NiTi 合金；马氏体相变；数字图像中图分类号：TG139
文献标识码：A
文章编号：1000-8365(2014)06-1138-03
Study on Martensitic Phase Transformation of NiTi Shape Memory Alloy
ZHAO Haiyan 1,2, NIU Wenliang 1, LIU Kun 1
(1. Beijing Union University, Beijing 102249, China; 2. China University of Petroleum, Beijing 102249, China )
Abstract ：The martensite phase transformation of NiTi shape memory alloy was studied by in situ stretch method. The results show that the stress-strain curve of the martensite nucleation is nonlinear variation. The nucleation energy of the martensitic increases due to the latent heat of phase change when martensite merge, and the stress fluctuating value is low when martensite break up.
Key words ：NiTi alloys; martensitic phase transformation; digital image
形状记忆合金因其具有良好的超弹塑性和形状记忆功能，被广泛的应用到电子、机械、航空航天等领域。作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正在不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状[2]。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。NiTi 合金是目前应用和研究最多的一种典型形状记忆合金，受到学者的广泛关注[3]。本文以NiTi 合金为研究对象，采用数字图像等方法，分析了马氏体相变失稳和局部化现象，为进一步探索形状记忆合金的功能提供参考。
[1]
计算方法采取低通滤波算法。
y
110像素
1230像素
计算区域测量线
x
31像素
子集尺寸
31像素
31像素
步骤5
1实验方法
NiTi 合金的化学成分w (%)为：55.0Ni 、45.0Ti 。
图1软件计算区域示意图
Fig.1Diagram of the software computational domain
在万能试验机上采用原位拉伸方法研究NiTi 合金马氏体相变的失稳情况。在整个加载卸载过程中选择14个不同的时间，其中A~G表示的是加载过程，而G~N代表卸载过程，利用应变软件对NiTi 合金的温度场和应变场进行测定。图1为计算区域的纵截面和横截面。为了避免出现图像出现失真现象，
收稿日期:2014-01-05
基金项目:北京联合大学自然科学类新起点计划项目(ZK201219)；
北京市教委科研计划项目(SQKM[1**********]8)
作者简介:赵海燕(1976-) ，河南洛阳人，博士，副教授. 研究方向：
图像处理在合金材料中的应用.
电话：[1**********]，E-mail ：[email protected]
2实验结果和分析
图2为NiTi 合金的应力-应变和平均温度变
化曲线。可以看出，NiTi 合金的应力-应变曲线具有可逆循环特性，曲线上出现两个应力平台，常温下具有超弹塑性。在整个拉伸过程中，NiTi 合金呈现超弹塑性，不仅具有温度的波动现象，同时还具有非均匀相变和局部化的特征。有文献指出，相变过程中，奥氏体向马氏体转换的正相变过程有相变潜热的释放，相反，逆相变过程需要吸收相变潜热才能够进行[4]。随着加载卸载过程的进行，平均温度呈现先升高后降低的趋势。
《铸造技术》06/2014
[***********]29温度/℃
赵海燕，等:NiTi形状记忆合金马氏体相变研究
G
·1139·
A B C
D
E
F
图3为NiTi 合金在14个不同时刻应变场与温度场的变化规律。可以看出，NiTi 合金加载初期和卸载初期，应力场大致呈线性变化。温度场和应变场具有局部化分布的特征。A 点处，有马氏体在试样的圆弧段形成，温度的变化是温度场局部化的主要表现，相变前端是温度变化的主要地点。B 点处，马氏体继续扩展，甚至诱发相邻马氏体的形成。C 、D 和E 点处同时存在多个马氏体，此时马氏体处于扩展时期。F 点处，马氏体发生长大，相遇时会发生合并现象。G 点处，温度场和应力场呈现均匀分布状态，加载在G 点结束。马氏体相变具有滞后性，H 点处，马氏体的长度发生变化，呈现逐渐变小的趋势，同时温
应力/M P a
M L K 1
2
J
I 3
H
6
7
45
应变(%)
(a)应力-应变曲线C
E D
F
H
测试区域
A
B
G
[1**********]30
100
J I
L K
M 500
N
度场变小。I 点处，随着逆相变得不断进行，马氏体相变带出现分裂，应变场降低。J 、K 、L 、M 和N 处，马氏体相变带一直处于减小状态，应变场均匀分布，
600
时间/s
(b)平均温度变化曲线
200300400
卸载结束。
图4为NiTi 合金局部化马氏体形核阶段的应力应变和温度变化。可以看出，NiTi 合金的应力应变曲线处于非线性变化状态。Ⅰ阶段部分区域出现
5.9%
6.3%
5.0%
4.9%
4.7%
4.5%
4.3%
4.1%
2.0%
图2NiTi 合金的应力-应变和平均温度变化曲线
Fig.2Stress-strain curve and average temperature change curve of the NiTi alloy
2.7%
4.1%
5.5%
5.6%
5.8%
应变场(%)
＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%29.9
30.2
30.2
30.7
30.9
31.0
29.7
＜0.01%29.7
＜0.01%＜0.01%＜0.01%17.3
27.2
27.2
＜0.01%＜0.01%＜0.01%27.2
27.1
27.1
温度场/℃
25.9A
B
26.0
C
26.1
D
26.3
E
26.4
F
26.4
G
26.4
H
25.4
I
24.0
J
23.8
K
23.7
L
23.5
M
23.3
N
22.0
图3不同时刻NiTi 合金应变场与温度场的变化规律
Fig.3Strain field and temperature field of the NiTi alloy with different times
应变富集。Ⅱ~Ⅳ阶段，圆弧周围应变场逐渐增加。NiTi 合金马氏体还可能发生分裂和合并的现
象，当两条马氏体长大相遇时，马氏体会发生合并[5]。图5为NiTi 合金局部马氏体合并与分裂的应力应变和温度变化曲线。可以看出，1和2之间出现了一个波谷，可能是马氏体合并区域全部转换成马氏体。传感器测量的载荷数值会出现先降低后升高的现象，但是由于相变潜热增加了马氏体的形核功，因此载荷跌落的数值不是很大。NiTi 合金马氏体还可能发生分裂现象，3和4之间是局部化马氏体分裂阶段，会出现应力的回升现象，这是因为逆相变引起局
Ⅳ阶段，马氏体相变应变场不断释放相变潜热，出现
越来越明显的应变场局部化现象。Ⅳ~Ⅴ阶段，随着局部相变的增加，马氏体扩张到一定程度时，大量的相变潜热被迅速释放，传感器载荷会突然降低，导致材料发生失稳现象。Ⅵ阶段，整体应力发生变化，出现新的马氏体相变带。当达到临界应力后，材料会再次的发生软化和失稳等问题。相变过程中相变潜热会对奥氏体以及马氏体的临界形核功造成一定的影响。
·1140·
312应力/M P a
FOUNDRY TECHNOLOGY
Ⅳ
应变场(%)
0.8%0.7%0.5%0.4%＜0.2%
1.5%1.2%0.9%0.7%＜0.4%
1.9%1.5%1.2%0.8%＜0.5%
1.7%1.4%1.1%0.8%＜0.5%
2.7%2.2%1.7%1.2%＜0.6%
4.1%3.3%2.5%1.7%＜1.4%
Vol.35No.6
Jun. 2014
[1**********]4
1.5
1.6
Ⅱ
Ⅲ
Ⅴ放大区域
Ⅵ
27.4
温度场/℃
Ⅰ
27.227.026.826.626.4
28.528.027.527.026.5
1.71.8
29.028.528.027.527.026.5
29.529.028.528.027.527.026.5
29.828.827.826.825.8
30.029.028.027.026.0
应变(%)
(a)应力-应变曲线
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ
(b)温度场和应变场
图4马氏体形核阶段应力-应变曲线和温度、应变分布
Fig.4Stress-strain curve and strain field and temperature field at the stage of martensitic nucleation
卸载时的应变(%)加载卸载
应变场
5.8%
4.9%3.9%2.9%1.9%＜0.8%
3.80322加载时的应力/M P a
3.853.903.95
4.00132
卸载时的应力/M P a
4.6%3.5%2.3%＜1.2%
320318
1
24
130128126
3
124
4.95
122
温度场/℃
316314312
4.85
4.90
31.029.028.027.026.0
27.026.526.025.525.024.5
1234(b)温度场和应变场
图5马氏体合并和分裂阶段应力-应变曲线和温度、应变分布
加载时的应变(%)(a)应力-应变曲线
Fig.5Stress-strain curve and strain field and temperature field at the stage of martensitic consolidation and split
部区域材料的收缩，从而导致马氏体外的材料所受载荷迅速增加。NiTi 合金马氏体分裂受温度的影响不大，因此，与合并时的应力应变曲线相比，分裂阶段应力的变化不明显。
合并时的波动值。参考文献：
[1]
张然，康进武，黄天佑，等. ZG0Cr13Ni5Mo 马氏体不锈钢的铸态高温力学性能测试研究[J].铸造技术，2009，30(10)：
3结论
NiTi 合金不仅具有温度的波动和超弹塑性状
[2][3][4]
1252-1255.
曹力生，赵作福. 电脉冲参数对NiTi 形状记忆合金表面涂膜钙化处理的影响[J].铸造技术，2013，34(3)：279-282.
罗娜，张永选. 基于神经网络的Ti-Ni-Cr 形状记忆合金超弹性研究[J].铸造技术，2013，34(9)：1127-1129.
杨钢，黄崇湘，吴世丁，等. ECAP 变形下304L 奥氏体不锈钢的形变诱导马氏体相变[J].金属学报，2009(8)：906-911.
态，同时还具有非均匀相变和局部化的特征。NiTi 合金马氏体形核时的应力-应变曲线具有非线性变化的特征。NiTi 合金马氏体合并时，相变潜热增加了马氏体的形核功。NiTi 合金马氏体分裂阶段受温度的影响不大，而温度对于马氏体合并阶段的影响却很大，因此马氏体分裂时的应力波动值明显低于
[5]司乃潮，刘光磊，司松海，等. 工艺因素对CuZnAl(RE)形状记忆合金干滑动磨损性能影响[J].有色金属(冶炼部分) ，2011(5)：47-51.
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!!!!!!!!!!!!! "
2013年我国各类铸件总产量为4450万吨
第十一届中国铸造协会年会期间，中国铸造协会七届理事会执行副会长兼秘书长温平向与会人员正式发布了中国铸造行业2013年统计数据。
数据显示，2013年中国各类铸件总产量为4450万吨，较2012年增长4.7%，产值约为5500亿元。
（本刊记者）
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铸造技术
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Vol.35No.6
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NiTi 形状记忆合金马氏体相变研究
赵海燕1,2，钮文良1，刘
摘
琨1
(1.北京联合大学，北京102249；2. 中国石油大学，北京102249)
要：以NiTi 合金为研究对象，在万能试验机上采用原位拉伸方法研究其马氏体相变的失稳情况。结果表明，
NiTi 合金马氏体形核时的应力应变曲线具有非线性变化特征。马氏体合并时，相变潜热增加了马氏体的形核功。马氏体
分裂时，应力波动值较低。
关键词：NiTi 合金；马氏体相变；数字图像中图分类号：TG139
文献标识码：A
文章编号：1000-8365(2014)06-1138-03
Study on Martensitic Phase Transformation of NiTi Shape Memory Alloy
ZHAO Haiyan 1,2, NIU Wenliang 1, LIU Kun 1
(1. Beijing Union University, Beijing 102249, China; 2. China University of Petroleum, Beijing 102249, China )
Abstract ：The martensite phase transformation of NiTi shape memory alloy was studied by in situ stretch method. The results show that the stress-strain curve of the martensite nucleation is nonlinear variation. The nucleation energy of the martensitic increases due to the latent heat of phase change when martensite merge, and the stress fluctuating value is low when martensite break up.
Key words ：NiTi alloys; martensitic phase transformation; digital image
形状记忆合金因其具有良好的超弹塑性和形状记忆功能，被广泛的应用到电子、机械、航空航天等领域。作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正在不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状[2]。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。NiTi 合金是目前应用和研究最多的一种典型形状记忆合金，受到学者的广泛关注[3]。本文以NiTi 合金为研究对象，采用数字图像等方法，分析了马氏体相变失稳和局部化现象，为进一步探索形状记忆合金的功能提供参考。
[1]
计算方法采取低通滤波算法。
y
110像素
1230像素
计算区域测量线
x
31像素
子集尺寸
31像素
31像素
步骤5
1实验方法
NiTi 合金的化学成分w (%)为：55.0Ni 、45.0Ti 。
图1软件计算区域示意图
Fig.1Diagram of the software computational domain
在万能试验机上采用原位拉伸方法研究NiTi 合金马氏体相变的失稳情况。在整个加载卸载过程中选择14个不同的时间，其中A~G表示的是加载过程，而G~N代表卸载过程，利用应变软件对NiTi 合金的温度场和应变场进行测定。图1为计算区域的纵截面和横截面。为了避免出现图像出现失真现象，
收稿日期:2014-01-05
基金项目:北京联合大学自然科学类新起点计划项目(ZK201219)；
北京市教委科研计划项目(SQKM[1**********]8)
作者简介:赵海燕(1976-) ，河南洛阳人，博士，副教授. 研究方向：
图像处理在合金材料中的应用.
电话：[1**********]，E-mail ：[email protected]
2实验结果和分析
图2为NiTi 合金的应力-应变和平均温度变
化曲线。可以看出，NiTi 合金的应力-应变曲线具有可逆循环特性，曲线上出现两个应力平台，常温下具有超弹塑性。在整个拉伸过程中，NiTi 合金呈现超弹塑性，不仅具有温度的波动现象，同时还具有非均匀相变和局部化的特征。有文献指出，相变过程中，奥氏体向马氏体转换的正相变过程有相变潜热的释放，相反，逆相变过程需要吸收相变潜热才能够进行[4]。随着加载卸载过程的进行，平均温度呈现先升高后降低的趋势。
《铸造技术》06/2014
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赵海燕，等:NiTi形状记忆合金马氏体相变研究
G
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图3为NiTi 合金在14个不同时刻应变场与温度场的变化规律。可以看出，NiTi 合金加载初期和卸载初期，应力场大致呈线性变化。温度场和应变场具有局部化分布的特征。A 点处，有马氏体在试样的圆弧段形成，温度的变化是温度场局部化的主要表现，相变前端是温度变化的主要地点。B 点处，马氏体继续扩展，甚至诱发相邻马氏体的形成。C 、D 和E 点处同时存在多个马氏体，此时马氏体处于扩展时期。F 点处，马氏体发生长大，相遇时会发生合并现象。G 点处，温度场和应力场呈现均匀分布状态，加载在G 点结束。马氏体相变具有滞后性，H 点处，马氏体的长度发生变化，呈现逐渐变小的趋势，同时温
应力/M P a
M L K 1
2
J
I 3
H
6
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应变(%)
(a)应力-应变曲线C
E D
F
H
测试区域
A
B
G
[1**********]30
100
J I
L K
M 500
N
度场变小。I 点处，随着逆相变得不断进行，马氏体相变带出现分裂，应变场降低。J 、K 、L 、M 和N 处，马氏体相变带一直处于减小状态，应变场均匀分布，
600
时间/s
(b)平均温度变化曲线
200300400
卸载结束。
图4为NiTi 合金局部化马氏体形核阶段的应力应变和温度变化。可以看出，NiTi 合金的应力应变曲线处于非线性变化状态。Ⅰ阶段部分区域出现
5.9%
6.3%
5.0%
4.9%
4.7%
4.5%
4.3%
4.1%
2.0%
图2NiTi 合金的应力-应变和平均温度变化曲线
Fig.2Stress-strain curve and average temperature change curve of the NiTi alloy
2.7%
4.1%
5.5%
5.6%
5.8%
应变场(%)
＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%＜0.01%29.9
30.2
30.2
30.7
30.9
31.0
29.7
＜0.01%29.7
＜0.01%＜0.01%＜0.01%17.3
27.2
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＜0.01%＜0.01%＜0.01%27.2
27.1
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温度场/℃
25.9A
B
26.0
C
26.1
D
26.3
E
26.4
F
26.4
G
26.4
H
25.4
I
24.0
J
23.8
K
23.7
L
23.5
M
23.3
N
22.0
图3不同时刻NiTi 合金应变场与温度场的变化规律
Fig.3Strain field and temperature field of the NiTi alloy with different times
应变富集。Ⅱ~Ⅳ阶段，圆弧周围应变场逐渐增加。NiTi 合金马氏体还可能发生分裂和合并的现
象，当两条马氏体长大相遇时，马氏体会发生合并[5]。图5为NiTi 合金局部马氏体合并与分裂的应力应变和温度变化曲线。可以看出，1和2之间出现了一个波谷，可能是马氏体合并区域全部转换成马氏体。传感器测量的载荷数值会出现先降低后升高的现象，但是由于相变潜热增加了马氏体的形核功，因此载荷跌落的数值不是很大。NiTi 合金马氏体还可能发生分裂现象，3和4之间是局部化马氏体分裂阶段，会出现应力的回升现象，这是因为逆相变引起局
Ⅳ阶段，马氏体相变应变场不断释放相变潜热，出现
越来越明显的应变场局部化现象。Ⅳ~Ⅴ阶段，随着局部相变的增加，马氏体扩张到一定程度时，大量的相变潜热被迅速释放，传感器载荷会突然降低，导致材料发生失稳现象。Ⅵ阶段，整体应力发生变化，出现新的马氏体相变带。当达到临界应力后，材料会再次的发生软化和失稳等问题。相变过程中相变潜热会对奥氏体以及马氏体的临界形核功造成一定的影响。
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312应力/M P a
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Ⅳ
应变场(%)
0.8%0.7%0.5%0.4%＜0.2%
1.5%1.2%0.9%0.7%＜0.4%
1.9%1.5%1.2%0.8%＜0.5%
1.7%1.4%1.1%0.8%＜0.5%
2.7%2.2%1.7%1.2%＜0.6%
4.1%3.3%2.5%1.7%＜1.4%
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Jun. 2014
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1.6
Ⅱ
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Ⅴ放大区域
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27.4
温度场/℃
Ⅰ
27.227.026.826.626.4
28.528.027.527.026.5
1.71.8
29.028.528.027.527.026.5
29.529.028.528.027.527.026.5
29.828.827.826.825.8
30.029.028.027.026.0
应变(%)
(a)应力-应变曲线
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ
(b)温度场和应变场
图4马氏体形核阶段应力-应变曲线和温度、应变分布
Fig.4Stress-strain curve and strain field and temperature field at the stage of martensitic nucleation
卸载时的应变(%)加载卸载
应变场
5.8%
4.9%3.9%2.9%1.9%＜0.8%
3.80322加载时的应力/M P a
3.853.903.95
4.00132
卸载时的应力/M P a
4.6%3.5%2.3%＜1.2%
320318
1
24
130128126
3
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4.95
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温度场/℃
316314312
4.85
4.90
31.029.028.027.026.0
27.026.526.025.525.024.5
1234(b)温度场和应变场
图5马氏体合并和分裂阶段应力-应变曲线和温度、应变分布
加载时的应变(%)(a)应力-应变曲线
Fig.5Stress-strain curve and strain field and temperature field at the stage of martensitic consolidation and split
部区域材料的收缩，从而导致马氏体外的材料所受载荷迅速增加。NiTi 合金马氏体分裂受温度的影响不大，因此，与合并时的应力应变曲线相比，分裂阶段应力的变化不明显。
合并时的波动值。参考文献：
[1]
张然，康进武，黄天佑，等. ZG0Cr13Ni5Mo 马氏体不锈钢的铸态高温力学性能测试研究[J].铸造技术，2009，30(10)：
3结论
NiTi 合金不仅具有温度的波动和超弹塑性状
[2][3][4]
1252-1255.
曹力生，赵作福. 电脉冲参数对NiTi 形状记忆合金表面涂膜钙化处理的影响[J].铸造技术，2013，34(3)：279-282.
罗娜，张永选. 基于神经网络的Ti-Ni-Cr 形状记忆合金超弹性研究[J].铸造技术，2013，34(9)：1127-1129.
杨钢，黄崇湘，吴世丁，等. ECAP 变形下304L 奥氏体不锈钢的形变诱导马氏体相变[J].金属学报，2009(8)：906-911.
态，同时还具有非均匀相变和局部化的特征。NiTi 合金马氏体形核时的应力-应变曲线具有非线性变化的特征。NiTi 合金马氏体合并时，相变潜热增加了马氏体的形核功。NiTi 合金马氏体分裂阶段受温度的影响不大，而温度对于马氏体合并阶段的影响却很大，因此马氏体分裂时的应力波动值明显低于
[5]司乃潮，刘光磊，司松海，等. 工艺因素对CuZnAl(RE)形状记忆合金干滑动磨损性能影响[J].有色金属(冶炼部分) ，2011(5)：47-51.
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2013年我国各类铸件总产量为4450万吨
第十一届中国铸造协会年会期间，中国铸造协会七届理事会执行副会长兼秘书长温平向与会人员正式发布了中国铸造行业2013年统计数据。
数据显示，2013年中国各类铸件总产量为4450万吨，较2012年增长4.7%，产值约为5500亿元。
（本刊记者）
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