固溶处理对Fe-Mn-Si记忆合金力学性能的影响

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为研究固溶处理对Fe-Mn-Si记忆合金力学性能的影响,本文测定了固溶处理对Fe-Mn-Si记忆合金的抗拉强度、塑性、冲击韧性、表面硬度和弯曲循环应变疲劳性能的影响;借助金相显微镜、SEM、XRD等微观分析手段对固溶处理前后Fe-Mn-Si记忆合金的力学行为进行了研究,揭示了导致合金力学性能发生变化的微观机理以及相变机制,旨在寻找最佳的固溶处理工艺为Fe-Mn-Si记忆合金实际应用提供理论参考。金相显微观察表明,固溶处理的两个主要参数固溶温度和保温时间对Fe-Mn-Si记忆合金的金相组织的影响体现在晶粒再结晶上,随着固溶温度升高和保温时间延长都会使合金奥氏体组织更加均匀且晶粒逐渐长大,固溶处理对Fe-Mn-Si记忆合金力学性能的影响是主要通过改变常温奥氏体组织的均匀性和晶粒大小实现的。冲击试验和显微硬度测量可得,固溶处理对Fe-Mn-Si记忆合金的冲击韧性影响显著,1050℃保温1h时冲击韧性达到最大值为316.4J/cm~2,相比未经固溶处理的热锻态Fe-Mn-Si记忆合金提高112%,Fe-Mn-Si记忆合金的冲击性能受到奥氏体组织均匀性、晶粒尺寸大小以及内部缺陷的影响;固溶处理后Fe-Mn-Si记忆合金的表面硬度发生了变化,在850℃保温1h时合金的硬度最高为246.83HV,合金的表面硬度与合金母相强度相关。拉伸试验分析可知,Fe-Mn-Si记忆合金拉伸断裂特征为塑性断裂,Fe-Mn-Si记忆合金的抗拉强度在850℃固溶处理后相比热锻态明显降低,之后随着固溶温度的升高,合金的抗拉强度与塑性呈现先上升后下降的趋势,1050℃保温3h合金的强度和塑性最好,1150℃时合金奥氏体晶粒尺寸增长过大使其强度和塑性开始下降。晶粒内缺陷、母相强度和应力诱发γ→ε马氏体相变的临界应力是影响合金强度和塑性的重要因素,在1050℃保温3h时可使Fe-Mn-Si记忆合金获得最佳的强度和塑性。弯曲疲劳分析发现,固溶处理后Fe-Mn-Si记忆合金具有良好的疲劳性能,当控制应变幅值为±5%时,热锻态合金试样进行弯曲循环239次发生断裂,而固溶温度850℃保温1h后合金试样的弯曲循环疲劳寿命最高,在进行弯曲循环485次后发生断裂,相比热锻态试样疲劳寿命提高102.9%,试验对比304不锈钢,在相同试验条件下弯曲循环40次后发生断裂。在固溶温度850℃、保温1h时Fe-Mn-Si记忆合金的疲劳性能最好。SEM、XRD观察分析表明,合金在受到循环交变应力作用下,会发生γ→ε马氏体相变及其逆相变,引起ε马氏体的形成和消失,循环过程中的ε马氏体的正逆相变及其变形协调可以减少应力集中,抑制塑性变形,延缓疲劳裂纹的拓展,进而提高合金的疲劳性能。而对比材料304不锈钢在弯曲循环的过程中发生了γ→α′马氏体相变,这是一种不可逆的相变,弯曲循环变形更多的是全位错运动所致。
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