摘 要

研究形状记忆合金的热膨胀性能并调控获得低或近零热膨胀特性，对于提高抗热冲击性能和解决由于热膨胀系数不匹配引起的问题具有重要的意义。

本文采用定向凝固技术制备柱状晶（CG）组织Cu₇₂Al₁₈Mn₁₀形状记忆合金，与之对比的等轴晶(EG)合金采用普通浇铸法制备。然后采用线切割的方法将合金铸锭切成沿凝固方向或铸锭轴向不同角度（0°、45°、60°和90°）的试样。用DSC确定相变温度，金相显微分析柱状晶和等轴晶组织微观结构以及采用XRD分析柱状晶组织试样的物相组成。分别用TMA设备和热膨胀仪对柱状晶组织和等轴晶组织进行热膨胀性能测试，然后用Origin软件作图分析。

研究结果表明，热膨胀与马氏体逆相变有关。显微相组织可以分为马氏体单相、马氏体 奥氏体双相和奥氏体单相三个阶段，热膨胀系数的变化可对应的分为三个阶段；热膨胀对于形状记忆合金的影响具有明显的取向依赖性；CG组织沿凝固方向0°时和EG组织沿铸锭轴向90°时会出现负热膨胀现象，前者的最小热膨胀系数为-2.50×10^-5K^-1，负热膨胀范围为123℃，负热膨胀区间以及在此区间的热膨胀系数绝对值均比TiNi合金的要大，后者最小热膨胀系数为-3.17×10^-6K^-1，负热膨胀范围为25℃，两者负热膨胀均在马氏体逆相变过程中开始出现。

本文的探索对于研究合金的零和负热膨胀，拓宽负热膨胀温度范围以及控制合金的热膨胀提供了参考，形状记忆合金负热膨胀的存在为其开发应用提供了可能。

关键词：形状记忆合金；Cu-Al-Mn合金；热膨胀；柱状晶组织；等轴晶组织

Abstract

Studying the thermal expansion properties of the shape memory alloy and regulating it to obtain low or near zero thermal expansion characteristics is of great significance for improving thermal shock resistance and solving problems caused by mismatched thermal expansion coefficients.

In this paper, directional solidification technique was used to prepare columnar crystal (CG) Cu₇₂Al₁₈Mn₁₀ shape memory alloys. The contrasted equiaxed crystal (EG) alloys were prepared by ordinary casting method. Then, the alloy ingot was cut by a wire cutting method into specimens having different angles (0°, 45°, 60°, and 90°) along the solidification direction or in the axial direction of the ingot. The phase transition temperature was determined by DSC, the microstructure of columnar crystals and equiaxed grains was analyzed by metallographic microscopy, and the phase composition of the columnar grain structure samples was analyzed by XRD. The thermal expansion properties of the columnar grain structure and the equiaxed grain structure were tested with TMA equipment and a thermal dilatometer, respectively, and then analyzed with Origin software.

The results of the study indicate that thermal expansion is associated with reverse martensite transformation. The microstructure can be divided into three stages: martensite single phase, martensite austenite duplex, and austenite single phase. The change of thermal expansion coefficient can be divided into three stages corresponding to it. The effect of the memory alloy is obviously orientation-dependent.Negative thermal expansion occurs when the CG structure is 0° along the solidification direction and the EG structure is 90° along the axial direction of the ingot. The former has a minimum thermal expansion coefficient of -2.50×10^-5K^-1 and the negative thermal expansion range is 123°C. The negative thermal expansion interval and the absolute value of the thermal expansion coefficient in this interval are larger than that of TiNi alloy. The latter has a minimum thermal expansion coefficient of -3.17×10^-6K^-1 and a negative thermal expansion range of 25°C. Both negative thermal expansions begin to appear during the reverse martensitic transformation.

The exploration of this paper provides a reference for studying the zero and negative thermal expansion of the alloy, broadening the negative thermal expansion temperature range and controlling the thermal expansion of the alloy. The existence of the negative thermal expansion of the shape memory alloy provides the possibility for its development and application.

Keywords: shape memory alloy; Cu-Al-Mn; thermal expansion; columnar crystal structure; equiaxed crystal structure

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及目的意义 1

1.1.1 研究背景和课题来源 1

1.1.2 研究目的和意义 1

1.2 Cu-Al-Mn形状记忆合金 2

1.2.1 形状记忆合金及其基本特性 2

1.2.2 形状记忆合金的特点及应用 3

1.3 热膨胀 6

1.3.1 热膨胀的概念 6

1.3.2 热膨胀的本质 6

1.3.3 膨胀材料的热缩机理 8

1.4 国内外研究现状 9

1.4.1 形状记忆合金 9

1.4.2 形状记忆合金热膨胀 10

第2章 研究内容与技术路线 12

2.1 研究内容 12

2.2 技术路线 12

第3章 Cu-Al-Mn形状记忆合金的制备和组织相结构研究 14

3.1 形状记忆合金的制备 14

3.1.1 形状记忆合金成分选择 14

3.1.2 定向凝固技术制备柱状晶组织Cu-Al-Mn合金 15

3.1.3 普通浇铸法制备等轴晶组织Cu-Al-Mn合金 15

3.2 组织相结构的研究 16

3.2.1 相变温度分析 16

3.2.2 微观结构分析 18

3.2.3 物相组成分析 19

3.3 小结 21

第4章 Cu-Al-Mn形状记忆合金的热膨胀性能研究 22

4.1 柱状晶组织的热膨胀行为 22

4.1.1 实验材料与实验方法 22

4.1.2 实验结果与分析 23

4.2 等轴晶组织的热膨胀行为 26

4.2.1 实验材料与实验方法 26

4.2.2 实验结果与分析 27

4.3 柱状晶和等轴晶组织热膨胀行为对比 30

4.4 小结 31

第5章 总结与展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及目的意义

1.1.1 研究背景和课题来源

给变形的材料以温度变化，材料能够自动做功而恢复变形前形状的效应称为“形状记忆效应”（shape memory effect，简称SME），而具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金（shape memory alloy，简称SMA）^[1]。形状记忆合金主要应用于电子、航空、机械、能源、汽车、土木、医疗卫生和日常生活等领域。

绝大部分材料都会“热胀冷缩”，也就是说热膨胀系数为正，但是有些材料在一定的温度范围内会出现“热缩冷胀”的现象，也就是说热膨胀系数为负值。负热膨胀材料可以和其他一些材料制成可以控制的甚至零膨胀的材料（热膨胀系数具有可加性），应用前景比较广泛。例如光学器件方面（激光和光纤通信系统、望远镜等）、力学器件方面(标准标尺、精密时钟和分析天平等)、航空航天方面（航天器的天线和天线支架材料等）等一些高新技术领域 ，如果利用低或零热膨胀系数的材料，可以减少由于温度变化产生的热应力，极大的提高器件的抗热冲击性能^[2]，大大的提高器件的使用寿命。近年来，从实践和理论的角度来看，对具有负、低和零热膨胀材料的研究显著增多。可以将形状记忆合金的超弹性和形状记忆特性等与热膨胀性能结合起来充分发挥形状记忆合金的价值，或者将形状记忆合金与其他材料结合起来开发低或零热膨胀材料，因此对于价格低廉的Cu基形状记忆合金热膨胀的研究具有重要的意义。

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