1. 研究目的与意义（文献综述）

形状记忆合金是一种智能型功能材料，它集感知与驱动功能于一体，可以制成传感器、探测器、阻尼器件、能量转换器以及智能微型装置等，在电子通信、医疗卫生、机械制造、航空航天、能源化工、土木建筑以及日常生活等众多领域具有广泛的用途，特别是当做阻尼吸能方面的应用是近年来的热点。在目前已得到实际应用的三大形状记忆合金体系（ni-ti基、cu基和fe基合金）中，cu基形状记忆合金，由于具有价格低廉（不到ni-ti合金的1/10）、良好的导电和导热性能、相变温度可调范围广、工作温度较高等优点，已成为除ni-ti合金之外，较具应用前景的形状记忆合金。新型cu-al-mn形状记忆合金，由于其良好的热稳定性和优良的力学性能，近年来正受到越来越多研究者的关注，成为cu基形状记忆合金的一个研究热点。前期研究表明采用定向凝固方法制备了具有轴向强织构和平直低能晶界特征的柱状晶cu-al-mn形状记忆合金，解决了普通多晶组织cu基形状记忆合金由于变形协调能力差，易发生晶间断裂而导致记忆性能差，限制了合金的广泛应用的问题。该合金的超弹性应变可达到10%以上，达到单晶合金水平，具有替代ni-ti合金的潜力。

一些常用的金属强化方法，如添加合金元素、细晶强化、形变强化等往往会大幅改变合金相变温度或大大降低其超弹性性能。相较之下，热处理强化是一种较为可行的方法。在一定范围内对cu-al-mn形状记忆合金进行热处理，可使其析出具有高硬度、高强度的贝氏体，从而在对其超弹性性能影响较小的情况下有效强化其强度。在本次研究中，我们将通过观测温度变化下形状记忆合金表面组织变化，进一步探究热处理对形状记忆合金强化的机理。

许多有关于形状记忆合金的实验研究表明：晶粒取向及晶界类型对形状记忆合金的性能有极大影响。设计形状记忆合金组织时应尽量避免三叉晶界并减少晶界数量，同时要选择高相变应变的晶粒取向。在本次研究中，通过金相显微镜对马氏体相变、重取向、逆相变进行观察，可验证并进一步研究晶界及晶粒取向对马氏体相变的影响，从而为形状记忆合金的组织设计提供有价值的结论。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

（1）通过定向凝固技术制备出较好的柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金，马氏体相变开始温度Ms在-20 ~ -50℃，室温下由奥氏体相组成，使得合金在室温下（Ms 40 ~ 70K）可以很好的表现出超弹性。对合金的组织结构进行测试。

（2）采用自制的小型拉伸夹具对合金试样进行超弹性拉伸实验，并采用金相显微镜实时观察合金在拉伸过程中的表面组织变化，采用置于金相显微镜上的小型加热装置进行原位加热金相分析，分析马氏体相变、重取向、逆相变的变化规律，进而阐明合金的性能提升机制和机理。

目标：

用金相原位拉伸和金相原位加热实验方法分析拉伸过程中晶界对应力分布、应力集中程度和相变程度等的影响，借此分析柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金性能提升的机制。

拟采用的技术方案及措施：

（1）合金试样的制备。基于前期研究开发的合金制备工艺，本项目研究的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金以纯Al、纯Cu和纯Mn为原料（成分配比为：Al 17 ~ 20 at.%，Mn 9 ~ 11 at.%，Cu余量），采用定向凝固工艺制备出来。首先，将原料在真空电磁感应炉中熔炼并浇铸成尺寸预制合金锭，熔炼温度为1300℃左右。然后，采用自制的普通浇铸，水冷铜模强制冷却的定向凝固设备，将预制合金在1100℃的电阻炉中重熔并保温20 min后，将熔体浇铸入圆柱型石墨结晶器，结晶器四周加热到1050 ~ 1100℃保温，结晶器底部与通有室温冷却循环水的铜模接触，冷却水流量为800~1200 L/h，合金熔液从结晶器底部逆着热流方向凝固，待合金全部凝固后，当结晶器温度降到约850℃时将铸锭取出后迅速水冷淬火，浇出铸锭直径约为50 ~ 80 mm，高度为150 ~ 180 mm。

（2）合金相变温度和组织分析。对制备出的合金试样分别进行化学成分分析和差示扫描量热仪（DSC）测试，DSC试样尺寸：直径3mm，高2mm。确定合金的实际成分和马氏体相变温度。组织观察采用金相显微的方法，将试样分别沿横向和纵向中心面剖开，制成横截面和纵截面观察试样，使用金相显微镜观察不同变形量试样的横、纵截面金相组织；使用X射线衍射（XRD）分析试样的相组成。

（3）原位超弹性拉伸实验。采用自主设计的简易拉伸加载装置，如下图所示，将试样置于小型拉伸装置下进行拉伸加载，对合金样品施加不同的变形量，在试样加载和卸载过程中进行金相组织观察，对马氏体相变过程进行定量分析和原位观察，研究柱状晶组织特征对马氏体相的形核、长大及马氏体相稳定性的影响。拉伸试样采用经表面抛光处理的狗骨形薄片试样，在试样拉伸的加载和卸载过程中用金相显微镜进行原位金相观察。

图 拉伸夹具

（4）原位加热金相分析。将磨抛处理的试样置于小型加热装置下加热，温度范围为室温到400℃，并在金相显微镜下观察其表面组织变化，并对其进行原位相变实验分析。

3. 研究计划与安排

1.第1-2周查阅国内外文献并翻译英文文献，了解形状记忆合金超弹性和全场应变实验分析的相关知识，了解相关实验设备的基本操作，完成开题报告；

2.第3-4周学习与研究内容相关的理论知识和试验方法，开始进行开始进行理论分析、试样准备和预实验分析；

3.第5-9周完成原位金相实验分析相关内容；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] c.y. chung, c.w.h. lam. cu-based shape memory alloys with enhanced thermal stability and mechanical properties[j]. materials science and engineering a, 1999,273-275:622–624.

[2] ji-li liu, hai-you huang, jian-xin xie. effects of aging treatment on the microstructure and superelasticity of columnar-grained cu71al18mn11 shape memory alloy[j]. international journal of minerals, metallurgy, and materials, 2016,23(10):1157-1166.

[3] efstathiou c, sehitoglu h, carroll j, et al. full-field strain evolution during intermartensitic transformations in single-crystal nifega[j]. acta materialia, 2008,56(15):3791-3799.