摘 要

本文以Cu-Al-Mn形状记忆合金为研究对象，添加少量的Ni金属元素并采用定向凝固法制备不同Ni含量的Cu-Al-Mn-Ni形状记忆合金，并对各组合金试样进行金相显微组织观察、硬度测试和拉伸性能测试，探究制备工艺和Ni含量的变化对合金金相显微组织、维氏硬度值和相关性能的影响，为Cu-Al-Mn形状记忆合金的性能提升提供参考。

研究发现，采用定向凝固法制备的不同Ni含量的Cu-Al-Mn-Ni形状记忆合金与传统制备工艺制备的合金相比，具有较好的组织结构，晶粒排布致密，晶粒尺寸细化，且维氏硬度值和超弹性性能有进一步提高。添加少量的Ni元素到Cu-Al-Mn形状记忆合金中，对合金的金相显微组织、表面组织、维氏硬度值、超弹性性能、形状记忆性能都有影响。随着Cu-Al-Mn-Ni形状记忆合金中Ni含量的不断增加，其组织的晶粒细化效果逐渐明显，维氏硬度值逐渐升高，超弹性应变逐渐增大，超弹性性能有所提升，最大强度和弹性模量也不断升高，且形状记忆效应也大致呈现上升趋势。

关键词：形状记忆合金；Cu-Al-Mn合金；Ni元素；性能；影响

Abstract

In this paper, Cu-Al-Mn shape memory alloys were investigated,which were prepared by unidirectional solidification with different Ni contents,The microstructure observation, hardness test and tensile test of each composite alloy sample were carried out to investigate the effect of the preparation process and the change of Ni content on metallographic microstructure, hardness and related properties of Vivtorinox alloy,which can provide the reference for improving the performance of the Cu-Al-Mn shape memory alloy.

It was found that Cu-Al-Mn-Ni shape memory alloys with different Ni contents prepared by unidirectional solidification had better microstructure, compact grain layout and grain size, which Vickers hardness and superelastic properties were further improved step by step. Adding a small amount of Ni to the Cu-Al-Mn shape memory alloy affects the metallographic microstructure, surface texture, Vickers hardness, superelasticity and shape memory properties of the alloy. With the increase of Ni content in Cu-Al-Mn-Ni shape memory alloys, the grain refinement effect of the microstructure becomes obvious, the Vickers hardness value gradually increases, the superelastic properties increase, the maximum strength and modulus of elasticity are also increasing, and the shape memory effect shows an upward trend.

Key Words：shape memory alloy； Cu-Al-Mn alloy；Ni element； performance； influence

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及目的意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的和意义 1

1.1.3课题来源 2

1.2 Cu-Al-Mn形状记忆合金 2

1.2.1形状记忆合金及特性 2

1.2.2 Cu基形状记忆合金的应用 3

1.3 Cu基形状记忆合金研究现状和研究进展 6

第2章 研究内容和技术路线 8

2.1研究内容 8

2.2技术路线 8

第3章 不同Ni含量Cu-Al-Mn-Ni合金的制备和组织结构分析 10

3.1不同Ni含量Cu-Al-Mn-Ni形状记忆合金的制备 10

3.1.1实验准备 10

3.2.1实验过程 14

3.2不同Ni含量Cu-Al-Mn-Ni形状记忆合金的金相显微分析 17

3.2.1金相样准备 17

3.2.2 观察与分析 18

3.3本章小结 20

第4章 不同Ni含量Cu-Al-Mn-Ni合金的性能分析 21

4.1硬度测试与分析 21

4.1.1硬度测试 21

4.1.2分析 22

4.2拉伸实验 24

4.2.1累加拉伸循环实验及分析（超弹性性能测试） 24

4.2.2拉伸-加热循环实验及分析（形状记忆性测试） 28

4.3本章小结 30

第5章 总结与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 32

参考文献 33

致 谢 35

绪论

1.1研究背景及目的意义

1.1.1研究背景

形状记忆合金是一种具有形状记忆效应、超弹性和高阻尼性等特性，集感知与驱动功能为一体的新型智能型功能材料。它自1962年首次应用以来，在电子通信、航空航天、交通运输、生物医疗、机械制造、土木建筑及日常生活等众多领域得到了越来越多的关注和应用，可制成传感器、制动器、振动阻尼设备及智能微型装置等仪器^[1]。

目前有三大系列形状记忆合金，分别是Ni-Ti基、Cu基和Fe基合金。Cu基合金由于具有价格低廉、制备方便、导电导热性能较好、记忆效应优良、相变温度调节范围广、热机械效应优异等优点，成为除Ni-Ti合金外，具有好的实际应用前景和重要发展潜力的形状记忆合金。

Cu 基形状记忆合金单晶体的形状记忆性能十分优异，可与 Ni-Ti 合金相媲美。但由于单晶特别是大尺寸单晶制备困难且成本很高，故难以大规模制备和应用于众多领域。而传统多晶组织 Cu 基形状记忆合金有一些缺点，其变形能力较差、热稳定差、晶粒粗大、各向异性弹性系数过大和马氏体相变等导致晶界容易开裂、疲劳寿命短和疲劳强度低、冷加工性能差使生产一些细小尺寸的产品难度大且成本高等。以上诸多问题都限制了Cu 基合金的广泛应用，使得其应用的领域范围十分狭窄^[1]。为克服普通多晶Cu基形状记忆合金的诸多不足，人们希望通过改进制备工艺或添加元素来调控合金组织，进而对合金的性能进行优化。

定向凝固技术是一种在合金的凝固过程中使用强制手段建立特定方向的温度梯度，以制备出具有致密组织、轴向强织构和成分组织偏析小的合金，可以解决普通多晶组织Cu基合金变形协调能力差、热稳定性差、晶粒粗大、晶界易断裂而导致形状记忆性能差、疲劳强度低等诸多问题，其超弹性应变可达到10%以上，可与单晶合金相媲美，具有替代Ni-Ti合金的潜力。另外Ni元素是一种马氏体相稳定元素，可以在一定程度提高合金的热稳定性。因此，本文在前期Cu-Al-Mn形状记忆合金的研究基础上，研究Ni含量对合金组织性能的影响，为Cu-Al-Mn形状记忆合金的进一步性能提升提供了一些参考。

1.1.2研究目的和意义

基于上述研究背景，本文的研究目的是采用定向凝固法制备不同Ni含量的Cu-Al-Mn形状记忆合金，以其为研究对象，通过观察合金的微观组织，明确改进制备工艺对合金性能的有效影响。通过对制备出的不同Ni含量的Cu-Al-Mn形状记忆合金进行研究对比，明确Ni含量的变化对Cu-Al-Mn形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性等性能的影响。

本文以Cu-Al-Mn形状记忆合金为研究基础，探究在制备过程中改进制备工艺和添加少量金属元素对形状记忆合金性能的提升机制，可丰富金属材料控制凝固和成型的理论，对Cu基形状记忆合金的组织设计和性能优化有参考价值。

1.1.3课题来源

本课题来源于国家自然科学基金项目，是为了进一步提升Cu-Al-Mn形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性及其疲劳性能的稳定性等性能。Ni是很强的奥氏体形成元素^[2]，前期研究表明，添加Ni金属元素的方法可以有效提高合金的性能。因此本课题主要研究不同Ni含量对Cu-Al-Mn形状记忆合金性能的影响，为合金的成分设计和性能优化及发展应用等提供参考。

1.2 Cu-Al-Mn形状记忆合金

1.2.1形状记忆合金及特性

形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种新型和智能型功能材料,具有记忆形状并能自动恢复形状的能力。它指的是具有一定的初始形状，通过加热升温到某一临界温度，完全消除其在较低的温度下所产生的塑性变形，重新恢复到初始形态的一类合金材料。

形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性、高阻尼性、耐磨性、高驱动应力应变、高能量密度、较高能效、较低动作频率以及相变诱发塑性等特性^[3]。其中，形状记忆效应和超弹性是其基础和重要的两个特性。

由资料已知，与形状记忆效应和超弹性相关的温度点的定义如下，当冷却时马氏体相变的开始温度为Ms点,最终温度为M_f点。当加热时马氏体逆相变的开始温度为A_s点,最终温度为A_f点。应力诱发马氏体相变的上限为M_d点。参与马氏体相变的高温相和低温相分别定义为母相和马氏体相^[4][5]。

1. 形状记忆效应

形状记忆效应现象是指形状记忆合金处于M_f点以下的马氏体相状态下，当外应力作用产生应变之后，去除掉外部应力，只有弹性变形部分的应变才得以恢复。如果对合金进行加热，达到A_f以上，它能恢复到初始的形状与体积^[1]。形状记忆合金的记忆效应其本质是合金内的热弹性马氏体相变,这种相变是可逆的，指的是晶体学上马氏体与母相间的相变。形状记忆效应依赖于马氏体相变，是指从高对称性的高温相到低对称性的相的一阶无扩散固-固相转变，其在较低的温度下是比较稳定的^[6]。

形状记忆效应最基本的形式是单程形状记忆效应，是指合金有一定的初始形状，若在低温马氏体状态下发生明显的塑性变形，再对合金进行加热，使其产生马氏体逆相变，消除掉塑性变形，最终恢复到高温奥氏体状态下的形状。形状记忆效应还有其它的形式，双程记忆效应和全程记忆效应。双程记忆效应需要对合金进行适当的热-机械训练能得到，即把形状记忆合金在外加力的作用下，进行反复地加热和冷却处理。在该过程中，合金的形状会交替地发生变化，这种效应被称为双程形状记忆效应，即形状记忆合金可以记忆高温状态下的形状，还能记忆低温下的形状。全程记忆效应呈现的是可逆形状记忆效应，即形状记忆合金在高温状态下的形状与低温状态下的形状是完全倒置的。当对合金进行加热或冷却，其形状记忆效应便会受阻，产生很大的恢复力。

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