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Ti含量对FeMnAlNiTi超弹性合金异常晶粒长大及超弹性影响的研究

摘要

FeMnAlNi基超弹性合金因其低廉的价格、良好的超弹性和极低的温度依赖性等优

点，成为一种具有广泛应用前景的新型材料。然而，由于FeMnAlNi基超弹性合金具有

明显的各向异性，从而导致三叉晶界附近容易产生应力集中，这不利于其获得良好的超

弹性。因此，为了减小晶界的影响，需要控制晶粒生长为寡晶或单晶。传统的FeMnAlNi

超弹性合金虽然可以通过循环热处理诱导异常晶粒长大，但是由于其晶界迁移速率较

低，因此，需要经过长时间循环热处理才能获得寡晶或单晶。本文通过在FeMnAlNi超

弹性合金中添加不同含量的Ti元素（0.5at.%Ti、1at.%Ti和1.5at.%Ti），提高了合

金的晶界迁移速率，并通过对不同Ti含量FeMnAlNiTi超弹性合金循环热处理过程中的

微观结构演化进行表征和分析，阐明了Ti含量对FeMnAlNiTi超弹性合金异常晶粒长大

促进作用的机制。同时研究了影响FeMnAlNiTi超弹性合金超弹性的因素，优化了合金

的超弹性。

首先，研究了Ti含量对FeMnAlNiTi超弹性合金晶粒长大行为的影响。研究发现，

Ti含量的增加显著促进了FeMnAlNiTi超弹性合金的异常晶粒长大行为，Fe42-Mn34-Al15-

Ni7.5-Ti1.5超弹性合金一次循环热处理后即呈现出明显的寡晶结构。其中，一次循环热处

理后Fe43.5-Mn34-Al15-Ni7.5、Fe43-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti0.5、Fe42.5-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti1和Fe42-

Mn34-Al15-Ni7.5-Ti1.5超弹性合金的平均晶粒尺寸分别约为1.3mm、2.3mm、2.7mm和4.3

mm。研究了Ti含量对FeMnAlNiTi超弹性合金晶界迁移激活能的影响。研究发现，随

着Ti含量增加，合金的晶界迁移激活能逐渐降低，原子更容易扩散，因此其晶界迁移能

力也随之增强。其中，Fe43.5-Mn34-Al15-Ni7.5、Fe43-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti0.5、Fe42.5-Mn34-Al15-

Ni7.5-Ti1和Fe42-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti1.5超弹性合金的晶界迁移激活能分别为160.1kJ/mol、

152.4kJ/mol、149.7kJ/mol和145.6kJ/mol。

其次，为了研究Ti含量对FeMnAlNiTi超弹性合金异常晶粒长大促进作用的机制，

对不同Ti含量FeMnAlNiTi超弹性合金循环热处理过程中的微观结构进行了观察和分

析。研究发现，随着Ti含量增加，FeMnAlNiTi超弹性合金的γ相固溶温度显著降低，

γ相显著细化且亚晶尺寸明显减小。在Fe42-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti1.5超弹性合金中获得了最

细小的γ相和最小尺寸的亚晶（9.7μm）。通过对不同Ti含量FeMnAlNiTi超弹性合金

的晶界迁移驱动力计算，发现Ti含量对FeMnAlNiTi超弹性合金异常晶粒长大的促进作

用主要来源于亚晶尺寸的减小。小尺寸的亚晶为晶界迁移提供了更高的驱动力，而亚晶

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

取向差并不会对四种合金的晶界迁移驱动力产生显著影响。其中，Fe43.5-Mn34-Al15-Ni7.5、

Fe43-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti0.5、Fe42.5-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti1和Fe42-Mn34-Al15-Ni7.5-Ti1.5超弹性合

-2-2-2

金的晶界迁移驱动力分别为5.5×10J/mol、7.8×10J/mol、10.8×10J/mol和19.4×

-2

10J/mol。

最后，基于通过循环热处理获得的单晶FeMnAlNiTi超弹性合金，研究了γ相、亚

晶、冷却方式以及时效处理对超弹性的影响。研究结果表明：γ相和亚晶会对FeMnAlNiTi

超弹性合金的超弹性造成严重损害，且γ相造成的危害远大于亚晶；FeMnAlNiTi超弹

性合