D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1990.06.029 北京科技大学学报 第12卷第6期 Vol.12 No.G 1990年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov,1990 Cu-Zn合金的形状记忆效应 王天飞·黄源倜… 摘要：通过扭转法和电阻测量法对Cu-Z合金的形状记忆效应进行了实验研究。发 现在社：点以上，不存在热弹性马氏体的情况下，由应力诱发马氏体可以引起形状记忆效应。 另外，在M:点以下有热弹性马氏体的情况下，根据实验盘果可以证明，应力诱父马氏体在形 状记忆效应中仍然起主要作用。 关键词：形状记忆效应，热弹性马氏体，应力马氏体，扭转形变法 Shape Memory Effect in Cu-Zn Alloy Wang Tianfei.Huang Yuanti. ABSTRACT:The shape memory effecl(SME)in Cu-Zn alloy was studied by the twisting deformation method and electric resistance methods.The results show that when the temperature above M.,there is no thermoelastic mar tensite(TEM),but show perfect SME,so that the SME is entirely caused by stress-induced martensite (SIM).On the other hand,when the temperature be- low M.,though there is TEM transformation,the SME is also mainly caused by the SIM. KEY WORDS:Shape memory effect,Thermoelastic martensite,Stressindu- ced martensite,Twisting deformation method 形状记忆效应(SME)通常被认为是由热弹性马氏体(TEM)在形变后发生的反相变引起 的1？。但也有人提出争论，认为预马氏体相等对SME也有作用2’3)，例如黄源倜等人对 1989一07一02收稿 ·物理系预士毕业生，现在北方交通大学 ,·物理系(Department of Physics) ·563·
第 卷第 期 年 。 月 北 京 科 技 大 三 学 学 报 之 ， 〔〕 力 。 。 一 合金的形状记忆效应 王 天 飞 ’ 黄源惆” 摘 要 通 过扭转法和 电阻 测量 法对 一 合金的 形状 记 忆效 应进行 了实验 研 究 。 发 现 在 从 。 点 以上 ，不存在热 弹性马 氏体的 情 况 下 ， 由应力诱 发马 氏 体可 以 引起形 状 记 忆效 应 。 另外 ， 在 。 点以 下 有热弹性马 氏体的 情况 下 ， 根据 实验 结 果可 以证 明 ， 应 力 诱 发 马 氏 体在 形 状 记忆效 应 中仍然 起 主要 作用 。 关键词 形 抉记 忆效 应 ，热 弹 性马 氏体 ， 应 力马 氏体 ， 扭转 形 变法 一 不不 尸 ￡ ’ 人 一 · · ， 五 人 ， ， 入 一 · ， 飞 ， 五 。 ， 手 ， 。 · ， 。 ， ， 形 状记忆效 应 通常被认 为是 由热弹性马 氏体 在形 变后 发生 的反相 变 弓起 的 〔 ” 。 但 也有 人提 出 争论 ， 认 为预马 氏体相等对 也有 作 用 艺 “ ’ “ ’ ， 例如黄 源 惆 等人对 一 一 收稿 物 理 系硕 士 毕业 生 ， 现 在北 方交通大学 物 理 系 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．06．029
TNi合金的研究结果指出)，在f,点以上40C℃以下TiNi合金存在SME,并认为这是预马氏 体相和应力马氏体引起的。另外在TiNi中有人还发现了一种全程记忆效应(all-round SME)),经研究表明这是由一种沉淀相引起的。以上这些工作都推动了SME机理的研究。 为了探讨SME的机理，对Cu-Zn合金进行了实验研究。选用Cu~Zn合金的目的主要是考 虑到其中没有菱形R相即公度相和无公度相，可以使问题得到简化。 1实验过程 实验的样品为Cu-Zn1*试样(Cu-40.5wt%Zn)和Cu-Zn2*试样(Cu-40.2wt%Zn), 它们经过高温淬火处理(1073K保温15mi,淬入冰水中)。M,点已经用电阻测量方法确定出 来，1*试样为128K,2·试样为195K。实验过程中采用扭转形变法。)，先将试样降温至某一温 度并保持温度恒定，在恒温下扭转试样使之发生范性形变，并测量在不同的扭转角度△中下 对应的电阻值R,然后使试样升温，在升温中同时测量试样的角度恢复和对应的电阻值。 2结果和讨论 首先将1·试样降温并测量电阻R随温度T的变化，发现R-T曲线为一条直线，如图1中 曲线1所示，这说明1试样中没有发生热弹性马氏体(TEM)相变。当温度降至135K(M,点 以上7K)时，保持温度恒定（温度变化不超过±0.5℃），将1试样扭转，使它发生范性形 变，测得的扭转角△中与R的变化关系如图2-a 所示。从图上发现，R-△中曲线随△中增大而呈 120° 阶梯状上升。电阻R的增大说明试样内部结构 90 60 发生∫改变。考虑到扭转温度在M,点以上，样 30 品在未形变前里面没有TEM,在样品被扭转 后，按照Wayman的观点7)，热弹性马氏体不 会因应力而长大，因此样品中也不会出现TEM 22 相变。已报导)在M。以上扭转形变不会引兰 2.0 起电阻变化。所以唯一的可能是试样在应力作： 用下产生了应力诱发马氏体(SIM)。在试样 被扭转以后，对它进行加热，测得的形状恢复 】1114)140180::02)280 过程和对应的电阻变化如图1中曲线3和曲线 . 2所示。可以看到，1试样具有良好的形状记 图1Cu-Zn1#试样形状i记忆放应与电阳曲线 忆效应，形状恢复率达94%，但在升温中没有 Fig.I The curves of electric resistance 出现电阻锋，这说明没有发生TE1反相变。 and SME in Cu-Zn 1 alloy 从这一实验结果可以肯定、1·试样在M.点以上的SME是由SIM的逆转变引起的，与TEM无 关。 另外-·个值得注意的现象是在T=116K的R-T曲线上出现了一个小的突起部分，它对成 1*试样形状恢复最快的部分。虽然这一现象的原因还不清楚，有待进一步深入研究，但这个 现象本身可以看作是SII逆转变的特征。 ·564
主合金的研究结果指出 亡 ‘ 勺 ， 在 点 以上切 ℃ 以下 合金 存在 ， 并认为这是预马氏 体相和应 力马 氏体引起 的 。 另 外 在 中有 人还 发 现 了一 种 全 程 记 忆 效 应 一 〔 ’ 〕 ， 经 研究 表明这是 由一 种沉 淀 相引起 的 。 以上 这些 工作都推 动 了 机 理 的研究 。 为 了探 讨 的机理 ， 对 一 合 金进 行了实验研究 。 选 用 一 合 金 的 目的 主要是考 虑到 其 中没有 菱形 相即 公 度 相和 无公 度相 ， 可 以使 问题得到简化 。 实 验 过 程 实验 的样品为 一 ’ 试样 一 、 ， 和 一 试样 一 ， 它们经 过高温淬火 处 理 保 温 宜 ， 淬入 冰 水 中 。 点已经 用 电阻测量 方法 确定出 来 ， ， 试样为 ， ’ 试样为 。 实验 过 程 中采用扭转形变法 〔 “ ’ ， 先将试样降温至某一温 度 并保持温 度恒 定 ， 在恒 温下 扭 转试样使 之 发生范性形变 ， 并测量 在不 同的扭转角 度 △价下 对 应 的 电阻值 ， 然后使 试样升温 ， 在 升 温 中同 时测量 试样的角度恢 复和对 应 的 电阻值 。 结果和讨论 首先将 ’ 试样降温并测量 电阻 随温度 的变化 ， 发现 一 曲线 为一 条直 线 ， 如 图 中 曲线 所 示 ， 这说 明 试 样 中没 有 发生 热弹 性 马 氏体 相变 。 当温度降至 点 以上 时 ， 保持 温 度恒 定 温 度变化 不超 过 士 ℃ ， 将 希 试样扭 转 ， 使它 发生 范性形 的刘 袱马 州门 ﹁ 司 ，了 叭 袱 变 ， 测得 的扭 转角△劝与 的变化关 系如 图 一 所示 。 从 图上 发现 ， 一 必曲线随 师增大 而呈 阶 梯状 升 。 电阻 的 增大 说明 试样 内部结 构 发 生 改 变 。 考虑到扭转温 度在 点 以上 ， 样 品 在未形 变前 里面没 有 ， 在样品 被扭 转 后 ， 按 照 的 观 点 〔 ’ ， 热 弹性马 氏体不 会 因应 力而 长大 ， 因此 样品 中也不会出现 相变 。 已 报导 〔 ‘ ’ 在 以上扭 转形 变 不 会引 起 电阻 变化 。 所 以唯一 的可 能 是 试 样在应 力 作 用下产生 了应 力诱 发马 氏体 。 在 试样 被扭转以后 ， 对它进 行加 热 ， 测得 的形 状 恢复 过程和 对 应 的 电阻变化 如 图 中曲线 和 曲线 所 示 。 可 以看到 ， ’ 试样 具 有 良好的形 状记 忆效 应 ， 形 状恢 复率达 ， 氏在 升温 中没 有 出现 电阻峰 ， 这 说明没 有发 生 反 相 变 。 从 一 二讨 … 一 一 一一一 一 孟 卜一 一 … 二 、 全 公 、 之 ’ 嘴 一 试 样形 状 记忆 效 应 ’ 电 卜 曲线 一 从 这一 实 验 结果可 以肯 定 ， 试 样 在 。 点 以上 的 是 由 的 逆转 变 引起 的 ， 与 无 关 。 另 外一个值得 注意 的现 象是 在 的 一 曲线上 出现 了一 个 小 的突起 部分 ， 它对应 试样形 状恢 复最快 的 部分 。 虽 然 这 一 现象 的原 因还不 清楚 ， 有 待进 一步 某入 研 究 ， 但 这个 现象 本身可 以看作 是 逆转变 的特征
1.8 0 0[x . 心 点 2,02- 1,6 2.n0 0 60120° 180 山 4i87i0i921o0 1Φ (a) fl 图2(a)C1-Zn1*试样在135K=Ms+7K, (b)Cu-Z和2试样在I0K,恒温下扭较形变与电阳曲我 Fig.?The curve of electric resistance vs.twisting deformation at contant temperature 用与上述同样的方法对2*试样进行实验的结果如图3和图2-b所示。2*试样的恒温扭转 是在M以下的120K进行的。图8中降温曲线1上的电阻蜂表明试样中发生了TEM相变。在 120K2试样的扭转角△中与R的变化曲线如图2-b所示。2*试样的R-4中曲线与图2-a中1*试 样的R-△曲线有相同的特征，都是呈阶梯状上升的，这说明2*试样中也出现了SIM。从图3 上的曲线3可以看出，被扭转的2*试样在 升温中，形状基本恢复，恢复率为92%。 另外在加热过程的R-T曲线上可以看到， 在较大的TEM反相变电阻峰上的230K和 d 240K两处，出现了两个小的突起部分，它 们对应2试样形状恢复最快的部分。这个 0 现象和刚才所述的1*试样中发生的现象完 a c. 全类似，说明2*试样中也发生了SIM逆转 2. 变。在230K到250K这个温度范围内，2试三 2.3 2.2 样的形状恢复占总形变量的65%。 对2试样，我们曾经通过电阻、温 120 2116n1320051d23280 度、内耗的同步测量实验证实，当|∂R/ 4”,i 图3Cu-Zn2试样中形状记忆效应与电阻曲线 aT|取极大时，对应内耗峰，即这时TEM Fig.3 The curves of clectric resistance 转变最快。这一结果和黄源偶等在Ti巾 and SME in Cu-Zn sample 得到的结果一致4)。 在图3中升温电阻曲线在220K到230 K变化最快，根据上述结果，在这个温度范 围内，2*试样中TEM逆转变最快，而且转变量也很大。但在这10K的范周内，试样的形状恢 复并不是最快，恢复量也只占总形变量的20%。在接近A:点的230K到250K之间，TEM的逆 转变量不大，由TEI引起的形状恢复应该更少，因此，在230K到250K间产生的65%的形状恢 复基本是由SIM逆转变引起的。 另外，在220K到230K间产生的20%的形状恢复中，也包括了SIM的作用。这是因为按图 1的结果，SM除在R-T曲线的小突起部分起作用外，在其它部分引起的形状恢复也很大， 因此由TEM引起的形状恢复还不到20%。由此可以看出，2*试样的SME主要是由SIM引起 ·565·
乃县 ‘ － 已公口一欠 曰〕 价二。公 一一一 一一一 一 一 一 一一 一 ︸ 一 ︸一一 一注 。 『 少 的 ‘ 一一一口一一一一沐 － 一－一－ 一 七 图 ， 一 古 试 样在 二 了 ， 石。 山 一 ， 试 样 在 工 ， 位 温 下 扭 转 形 变 一 与电阻 曲线 宝 厂 “ 。 士 广 ， 用与上述 同样的方法 对 李 试样进 行实验 的结果如图 和 图 一 所示 。 “ 试样 的恒 温 扭 转 是在 以下 的 进 行的 。 图 中降温 曲线 上 的 电阻峰表 明试 样 中发生 了 相变 。 在 ， 试样的扭 转角 功与 的 变化 曲线 如 图 一 所示 。 试样的 一 叻曲线 与图 一 中 ， 试 样 的 一 价曲线有 相 同 的特征 ，都 是呈 阶 梯状上 升的 ， 这说 明 ’ 试样 中也 出 现 了 。 从 图 上 的 曲线 可 以看 出 ， 被扭转的 ’ 试 样在 空 一 一﹂一 飞勺八 … 乙介勺 升温 中 ， 形 状基 本恢 复 ， 恢复率为 。 另 外在 加 热过程的几 曲线上可 以看到 ， 在较大 的 反 相变 电阻峰上 的 和 刁 两处 ， 出现 了两个小的突起 部分 ， 它 们对应 试 样形状恢复最快 的部分 。 这个 现象和 刚 才所述 的 试样 中发生 的现象 完 全类似 ， 说 明 “ 试样 中也发生 了 逆转 写 变 。 在 到 这个温度范 围 内 ， 试 ‘ 样的形 状恢 复 占总形 变量的 。 对 试样 ， 我 们 曾经通 过 电 阻 、 温 度 、 内耗的 同步测量实验 证 实 ， 当 刀 取 极大 时 ， 对应 内耗峰 ， 即 这时 转变最快 。 这一结果和黄源惆 等在 中 得到 的 结果 一致 〔 ’ 。 在 图 中升温 电阻 曲线 在 到 。 变化 最快 ， 根据上述结果 ， 在 这个温度范 工 图 二 撼 之 亡 上匕 二一 〕 一 ， 试 样 中形 状 记忆效 应 与 电阻 曲线 口 一 围 内 ， 试样 中 逆转 变最快 ， 而且转 变量 也很大 。 但 在这 的范 围 内 ， 试 样 的形状恢 复并不 是最快 ， 恢复量 也只 占总形 变量 的 。 在接近 点 的 到 之 间 ， 的 逆 转变量不大 ， 由 人 引起 的形状恢复应 该更 少 ， 因此 ， 在 到 间产生 的 的 形状 恢 复基本是 由 逆转变引起 的 。 另 外 ， 在 到 间产生 的 的形 状恢复 中 ， 也 包括 了 的 作 用 。 这是 因为按 图 的结果 ， 除 在 一 曲线的 小 突起部分起 作 用外 ， 在其它 部分引起 的形 状恢 复也很大 ， 因此 由 入玛 起 的形状恢 复还不 到 。 由此可 以看 出 ， ‘ 试样的 主要 是 由 引起 ， ·
的。 总之，在1*试样中，在没有TEM的情况下，SME完全由SIM引起。在2试样中，虽然 有TEM存在，SME仍然主要由SIM产生。这些结果是从扭转形变法和电阻测量法得出的，有 待用其它方法作进一步深入的研究。 3结 论 (1)在应力诱发马氏体相变过程中，Cu-Zn的电阻要发生变化。 (2)在M.点以上没有TEM的情况下，Cu-Zn合金的SME完企由SIM逆转变引起。在 M,点以下，虽然存在TEM,但SME主要由SIM产生。 参考文献 1 Wayman C M,Shimizu K.Met.Science,1972,J.6:175 2 Ling H C,Kaplow R.Metall Trans,1980,11A:77 3 Khachin V N,et al.Phys.Met.Metall,1979,46(3):149 4 Yuan-Ti Huang,et al.Scripta Met.,1985,19:1033 5 Nishida M,Honma T.Scripta Met.,1984,18:1293 6 Yuan-Ti Huang,et al.Fortheenth Annual Review of Progress in Quanti- tative Nondestructive Evaluation.1987,7:1447 7 Perkins J(ed).Shape Memory Effect in Alloys,Plenum Press,New York: 1976 ·566·
的 。 总之 ， 在 ’ 试样 中 ， 在没 有 的情况下 ， 完全 由 引起 。 在 雄 试 样 中 ， 虽然 有 存在 ， 仍然 主要 由 产生 。 这些 结果 是 从扭转形 变法 和 电阻测量 法得 出的 ，有 待用其它 方法 作 进一步深入 的研究 。 口洲 结 论 在应力诱发马 氏体相 变过程 中 ， 一 的 电阻 要发 生 变化 。 在 。 点 以上没有 的情况下 ， 一 合金 的 完全 由 逆 转 变 引起 。 在 点 以下 ， 虽然 存在 ， 但 主要 由 产生 。 今 考 文 献 入 ， ， ， · ， 入 ， ， ， ， ， 一 ， ， ， ， 。 ， ， 一 ， 。 ， 入 ， ， 口任 ·
