铁基形状记忆合金热塑性

D0l第981卷7第4期sn1001053x.1996.0北00京科技大学学报 Vol.18 No.1 1996年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Fb.199% 铁基形状记忆合金热塑性 王四根)张建福2) 王绪) 花礼先) 1)北京科技大学材料科学与工程系，北京1000832)冶金工业部钢铁研究总院，北京100081 摘要研究了F一Mn-Si形状记忆合金热塑性.结果表明：合金中硅含量的增加可提高合金的记 忆效应，却严重损害合金热塑性；微量元素Mg的加人可大大改善合金的热塑性，而不降低记忆效 应.由于Mg元素的加人，含Si量达4%的Fe-Mn-Si形状记忆合金也能顺利地热轧成无缝管，提 高了Fe-Mn-Si形状记忆合金实用性. 关键词铁基形状记忆合金，热塑性，无缝钢管 中图分类号TG111,TG145 铁基形状记忆合金记忆效应(SME)是应力诱发ε马氏体相变和ε马氏体逆相变的结果. Si元素由于具有促进ε马氏体形成，而又不致形成马氏体的作用，使应力诱发马氏体 在逆相变时呈现应变回复2~引，因此，Si在铁基形状记忆合金中对记忆效应作用非常重要.较 高的硅含量对记忆效应有益，但另一方面，S的加入，影响了合金的冷热加工性能，当S 的含量比较高时，加工性能严重恶化4~)，而良好的记忆效应，要求较高的硅量，这一矛盾 则制约了Fe-Mn-Si形状记忆合金的开发应用.本文将探讨改善Fe-Mn-Si形状记忆合 金热塑性的新途径， 1试验材料与方法 本研究试验材料的化学成分如表1所示.试验材料采用精料在50kg真空感应炉中冶炼而成. 表1试验材料化学成分及无缝钢管热轧结果 化学成分/% 编号 无缝钢管热轧情况 Mn Si Mg Fe 27-31 3.0 余 轧管成功，无任何缺陷 2 27~31 3.5 管外表面有折叠，内表面纵裂 3 2731 4.0 深 内表面纵裂严重 4 2731 5.9 余 不能成形，管坯破碎 5 27-31 3.5 加Mg 余 轧管成功，无任何缺陷 6 27-31 4.0 加Mg 轧管成功，无任何缺陷 治炼后的钢锭锻成中52mm和Φ15mm圆棒.前1种圆棒用于在带导板的两辊斜轧机（不 带导盘)上进行热轧无缝钢管试验，以轧管成功与否和轧出的无缝管质量好坏来评价热塑性 优劣. 中15mm的试棒加工成标距为S0mm扭转试样，在德国SETARAM型热扭转试验机上 1995-06-28收稿第一作者男30岁讲师博士 *冶金工业部科技司资助项目

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 竺越场 年 月 。 心 功 。 塑兜 铁基形状记忆合金热塑性 ’ 王 四 根 ’ 张建福 王 绪 ’ 花礼先 ’ 北 京科技大 学材料科 学 与 工程 系 ， 北 京 冶 金工 业部 钢 铁研究 总 院 ， 北 京 刃 摘要 研究了 一 一 形 状记忆合金热 塑性 结果表 明 合金 中硅含量 的增加 可提 高合金 的 记 忆效应 ， 却严重损害合金 热塑性 微量元素 的加人可大大改善合金的热塑 性 ， 而不 降低 记忆 效 应 由于 元素 的加人 ， 含 量达 的 一 一 形 状记忆合金 也能顺利地热轧成无缝 管 ， 提 高 了 一 一 形 状记忆合金 实用 性 关键词 铁基形状记忆合金 ， 热塑性 ， 无缝钢 管 中图分类号 ， 铁基形 状记忆合金记 忆效 应 是 应力诱发 。 马 氏体相 变和 。 马 氏体逆相 变 的结 果 ’ 元 素 由于 具 有 促 进 。 马 氏 体 形 成 ， 而 又 不 致 形 成 ’ 马 氏体 的作 用 ， 使 应 力 诱 发 马 氏 体 在逆相 变 时呈 现 应 变 回复 【’ 一 ’ ， 因此 ， 在铁基形状记忆合金 中对记忆效 应作 用 非 常重要 较 高 的硅含量 对记 忆效 应有 益 但 另 一 方 面 ， 的加 人 ， 影 响 了合 金 的 冷 热 加 工 性 能 ， 当 的含量 比较高 时 ， 加工 性 能严重 恶化 礴 一 ， 而 良好 的记忆效应 ， 要 求较高 的硅量 这一 矛盾 则制约 了 一 一 形 状记 忆合金 的开发 应 用 本 文 将 探 讨改 善 一 一 形 状 记 忆 合 金热塑性 的新 途 径 试验材料与方 法 本 研究试 验 材料的化学成分如表 所示 试 验材料采用 精 料在 真 空 感 应炉中冶 炼而成 表 试验材料化学成分及无缝钢管热轧结果 化学成分 编号 无缝钢管 热轧情况 轧管成功 ， 无任何缺 陷 管外表 面有 折叠 ， 内表面纵裂 内表面纵裂严重 不 能成形 ， 管坯破碎 轧管成功 ， 无任何缺 陷 轧管成功 ， 无任何缺 陷 工 余 … 书刀月 内︶、‘ 以工气 矛︸ ，伟︶叹了、 气︶‘ 、 冶炼后 的钢锭 锻成 中 和 中巧 圆棒 前 种 圆棒用 于 在 带 导板 的 两 辊 斜 轧 机 不 带导盘 上 进行 热轧无缝钢 管试验 ， 以 轧 管成 功 与 否 和 轧 出 的 无 缝 管 质量 好坏来评 价热 塑性 优劣 中巧 的试棒加工 成 标距 为 扭 转 试 样 ， 在 德 国 型 热 扭 转试验机上 一 一 收 稿 第 一 作 者 男 岁 讲 师 博士 冶 金工 业部科 技 司 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．01．002

Vol.18 No.1 王四根等：铁基形状记忆合金热塑性 .7。 进行热扭转试验，通过至扭断时的扭转圈数的多少来评价热塑性的好坏， 此外在S-250Mk3扫描电子显微镜上，对合金固溶处理后的显微组织进行了观察分析， 并利用Lik公司NHI000型能谱仪，对组织晶界上的杂质含量进行了分析. 2试验结果 2.1热轧管试验结果 1~6号钢在1050~1150℃温度区间热轧无缝钢管试验结果如表1所示，结果表明： 不加Mg元素的情况下，Si含量为3%时，合金在复杂应力状态下变形可热轧成无缝管； Si含量为3%时，合金具有好的热塑性，但硅含量较低时，形状记忆效应不显著；Si含量大 于3%时，热轧管开始出现纵裂及离层等缺陷；Si含量达4%时，合金已无法热轧成无缝管；S 含量为5.9%时，合金几乎不能在复杂应力下变形.这表明，硅含量超过3%时，热塑性开始 恶化. 微量Mg元素加人后，Si含量为3.5%和4%的合金均能顺利热轧成无缝管，并且管壁 质量无任何缺陷，这充分说明，Mg元素的加人，大大改善了合金的热塑性.由于Mg元素 的加人，把合金顺利轧成无缝管的硅含量由3%（无Mg)提高到4%（有Mg) 2.2热扭转试验结果 为了进一步研究Mg元素对Fe一Mn-Si形状记忆合金热塑性的影响，同时进行热 扭转试验·从应力状态来说，热扭转试验同热轧管试验接近，热扭转试验通过至扭断时扭转 圈数多少来衡量热塑性的优劣， 图1示出了含Si量为4%，不加Mg元素的3号合金及加Mg元素的6号合金热扭转圈数 与温度的关系，图1结果表明，在950~1110℃温度区间内，加Mg元素的6号合金扭 转圈数均高于同温度下不加Mg元素的3号合金·这一结果进一步证实了Mg元素的加入， 有效地改善了Fe-Mn-Si形状记忆合金的热塑性· 3分析讨论 50 Si是Fe-Mn-Si形状记忆合金中能有效 40 提高记忆效应的元素，硅含量高，合金记忆效 距 6号合金 应好.这是由于Si元素的加人强化了y相， 脑 酷 30 使ε马氏体端际附近的y相不受范性协调，不 39合金0 全位错可逆运动不受阻碍，使应力诱发马氏体 在逆相变时呈现应变回复，从而保证了晶体学 20 的可逆性，因此使记忆效应得到改善1.但另 一方面，Si含量较高（超过了3%）时，加工 950 1000105011001150 性能开始恶化（如表1所示，硅含量高则不能 Tf℃ 热轧成合格的无缝管)，这可能是由于Si含量 图1扭转圈数与温度的关系

王 四 根等 铁基形 状记忆合金 热塑性 进行 热扭 转 试验 ， 通 过 至扭 断时 的扭转 圈数 的多少来评价热塑性 的好坏 此外 在 一 扫描 电子 显微 镜 上 ， 对合 金 固溶 处理 后 的显微组织进行 了观 察分析 ， 并 利 用 公 司 以洲 型能谱仪 ， 对组 织 晶界 上 的杂质含量 进行 了分析 试验结果 热轧管试验结果 一 号钢在 一 ℃ 温度 区 间热 轧 无缝钢 管 试 验 结 果 如 表 所 示 结 果 表 明 不 加 元 素 的情况 下 ， 含量 为 时 ， 合金在 复 杂应力 状态 下 变 形 可 热 轧 成 无 缝 管 含量为 时 ， 合金具有好 的热塑性 ， 但硅 含量 较低 时 ， 形 状 记 忆 效 应 不 显著 含量大 于 时 ， 热轧管开始 出现纵裂及离层等缺 陷 含量达 时 ， 合金已无法热轧成无缝管 含量为 时 ， 合金几乎不能在复杂应力 下 变形 这表 明 ， 硅 含量 超过 时 ， 热塑性开始 恶化 微量 元 素加人后 ， 含量 为 和 的合金 均 能 顺 利 热 轧 成 无缝管 ， 并且 管壁 质量 无任何缺 陷 ， 这充分说 明 ， 元 素 的加 人 ， 大大 改 善 了合金 的 热 塑 性 由于 元 素 的加人 ， 把合金顺利 轧成 无缝管 的硅 含 量 由 无 提 高到 有 热扭转试验结果 为 了 进 一 步 研 究 元 素 对 一 一 形 状 记 忆 合 金 热 塑 性 的 影 响 ， 同 时 进 行 热 扭 转试验 从应 力状态来说 ， 热扭转 试验 同热 轧管试验接 近 ， 热扭 转试验通过 至扭 断时扭转 圈 数多 少来衡量 热塑性 的优劣 图 示 出了含 量为 ， 不加 元 素 的 号合金及加 元 素 的 号合金热扭转圈数 与温度 的关 系 图 结 果 表 明 ， 在 一 ℃ 温 度 区 间 内 ， 加 元 素 的 号 合 金 扭 转 圈数均 高于 同温 度 下不 加 元 素 的 号合金 这一结果 进一步 证实 了 元 素 的加人 ， 有 效地改善 了 一 一 形状记 忆合金 的热 塑性 甲排困橄圈 分析讨论 是 一 一 形 状 记 忆 合 金 中能 有 效 提 高记忆效 应 的元 素 ， 硅含 量 高 ， 合金 记 忆效 应 好 这 是 由于 元 素 的 加 入 强 化 了 下 相 ， 使 。 马 氏体端 际附近 的 相 不受 范性 协调 ， 不 全位错可逆运 动不受 阻碍 ， 使应力诱发 马 氏体 在逆相 变 时呈 现应变 回 复 ， 从而保证 了晶体学 的可逆性 ， 因此使 记 忆 效 应 得 到 改 善 但 另 一方 面 ， 含量 较 高 超 过 了 时 ， 加 工 性 能开始恶化 如表 所示 ， 硅含量 高则 不 能 热轧成合格 的无缝管 ， 这可 能是 由于 含 量 嘎牙 ， 图 扭转圈数与温度 的关 系

王 四 根等 铁基形 状记忆合金 热塑性 进行 热扭 转 试验 ， 通 过 至扭 断时 的扭转 圈数 的多少来评价热塑性 的好坏 此外 在 一 扫描 电子 显微 镜 上 ， 对合 金 固溶 处理 后 的显微组织进行 了观 察分析 ， 并 利 用 公 司 以洲 型能谱仪 ， 对组 织 晶界 上 的杂质含量 进行 了分析 试验结果 热轧管试验结果 一 号钢在 一 ℃ 温度 区 间热 轧 无缝钢 管 试 验 结 果 如 表 所 示 结 果 表 明 不 加 元 素 的情况 下 ， 含量 为 时 ， 合金在 复 杂应力 状态 下 变 形 可 热 轧 成 无 缝 管 含量为 时 ， 合金具有好 的热塑性 ， 但硅 含量 较低 时 ， 形 状 记 忆 效 应 不 显著 含量大 于 时 ， 热轧管开始 出现纵裂及离层等缺 陷 含量达 时 ， 合金已无法热轧成无缝管 含量为 时 ， 合金几乎不能在复杂应力 下 变形 这表 明 ， 硅 含量 超过 时 ， 热塑性开始 恶化 微量 元 素加人后 ， 含量 为 和 的合金 均 能 顺 利 热 轧 成 无缝管 ， 并且 管壁 质量 无任何缺 陷 ， 这充分说 明 ， 元 素 的加 人 ， 大大 改 善 了合金 的 热 塑 性 由于 元 素 的加人 ， 把合金顺利 轧成 无缝管 的硅 含 量 由 无 提 高到 有 热扭转试验结果 为 了 进 一 步 研 究 元 素 对 一 一 形 状 记 忆 合 金 热 塑 性 的 影 响 ， 同 时 进 行 热 扭 转试验 从应 力状态来说 ， 热扭转 试验 同热 轧管试验接 近 ， 热扭 转试验通过 至扭 断时扭转 圈 数多 少来衡量 热塑性 的优劣 图 示 出了含 量为 ， 不加 元 素 的 号合金及加 元 素 的 号合金热扭转圈数 与温度 的关 系 图 结 果 表 明 ， 在 一 ℃ 温 度 区 间 内 ， 加 元 素 的 号 合 金 扭 转 圈数均 高于 同温 度 下不 加 元 素 的 号合金 这一结果 进一步 证实 了 元 素 的加人 ， 有 效地改善 了 一 一 形状记 忆合金 的热 塑性 甲排困橄圈 分析讨论 是 一 一 形 状 记 忆 合 金 中能 有 效 提 高记忆效 应 的元 素 ， 硅含 量 高 ， 合金 记 忆效 应 好 这 是 由于 元 素 的 加 入 强 化 了 下 相 ， 使 。 马 氏体端 际附近 的 相 不受 范性 协调 ， 不 全位错可逆运 动不受 阻碍 ， 使应力诱发 马 氏体 在逆相 变 时呈 现应变 回 复 ， 从而保证 了晶体学 的可逆性 ， 因此使 记 忆 效 应 得 到 改 善 但 另 一方 面 ， 含量 较 高 超 过 了 时 ， 加 工 性 能开始恶化 如表 所示 ， 硅含量 高则 不 能 热轧成合格 的无缝管 ， 这可 能是 由于 含 量 嘎牙 ， 图 扭转圈数与温度 的关 系

Vol.18 No.I 王四根等：铁基形状记忆合金热塑性 .9· 记忆合金的热塑性，使Sⅰ含量达4%的合金也顺利地热轧成无缝管， (3)Mg元素的加入，改善了热塑性，却并不损害记忆效应，使Fe-Mn-Si形状记忆 合金开发应用又向前迈进了一步， 参考文献 1 Sato A,Yamaji Y,Mori T.Physical Properties Controlling Shape Memory Effect in Fe-Mn-Si Alloys. Acta Metall,1986,34:287~294 2 Sato A,Chishima E,Soma K,et al.Shape Memory Effect in ye Transformation in Fe-30Mn-ISi Alloy Single Crystals.Acta Metall,1982,30:1177~1183 3 Tomota Y,Nakagawara W,et al.Reversion of Stress-Induced e Martensite and Two-Way Shape Memory in Fe-24Mn and Fe-24Mn-6Si Alloys.Scripta Metall,1992,26:1571~1574 4 Myung Chul Shin,et al.Fe-Base Shape Memory Alloy.United States Patent,No 5032195.1991 5杨觉先.金属塑性变形物理基础.北京：冶金工业出版社，1988.167~168 Investigation on Thermoplasticity of Ferrous Shape Memory Alloys Wang Sigen!)Zhang Jianfu2)Wang Xu"Hua Lixian) 1)Department of Materials Science and Technology,USTB,Beijing,100083.PRC 2)Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,PRC ABSTRACT Thermoplasticity of Fe-Mn-Si shape memory alloys has been investigated.The experimental results show that the shape memory effect (SME) increases but thermoplasticity decreases with the increasing of Silicon content in Fe-Mn-Si shape memory alloys.Thermoplasticity of these alloys can be improved apparently but SEM not be devastated by adding of microelement Magnesium,because of thermoplasticity being improved by adding of microelement Magnesium. Fe-Mn-Si alloys with 4%Silicon content can be rolled successfully to be seamless steel pipes.So Fe-Mn-Si shape memory alloys show a good applied prospect. KEY WORDS ferrous shape memory alloys,thermoplasticity,seamless steel pipe

丫 王 四 根等 铁基形状记忆合金热塑性 · 记忆合金 的热塑性 ， 使 含量 达 的合金 也顺利 地 热轧成 无缝管 元 素 的加人 ， 改善 了热塑性 ， 却并 不损 害记忆效应 ， 使 一 一 形 状记 忆 合金 开 发应用 又 向前迈进 了一步 参 考 文 献 汕刘 ， 外声记目 双，详 此 助 唱 恤 。 山。 压以 一 一 娜 以 比心 ， ， 邓 一 为 以 ， 肋 以 ， 蛋双 下 。 ‘ 划自 一 刃 一 月拓 沙 哪比 日匕 ， 之 掀 一 幻 ， 忡此睽 ， 祀 玩 洛 一 理比 ￡ 别比改荃讹 日 场 一 节白 曰 一 缸记 一 一 已 」罗 栩 ， 卯 ， 一 嗯 脸川 氏 一 ，货 周阮 汕川 匕 几让” ， 印 卯 杨觉先 金 属 塑性变形物理基础 北京 冶金工 业 出版社 ， 一 刀 夕 夕 ‘ 初 夕 ， 万 ， ， ， ， ， ， 洲 一 一 理 飞 一 一 而 ， 而 一 一 治 一 一 ，