TiNi形状记忆合金弹簧的热处理

热处理方法

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第2卷第 1 2期1 9年 2月 9 3

稀有金属材料与工程RA RE M E TA L M AT ERI ALS AN D EN G I EERI G N N

Vo . . N O. 122 I Fc lar l 93 btl y 9

叼一

TNi i形状记忆合金弹簧的热处理颜世春摘要

姜

治2 03 ) 30 1

T臼/。 7 6、

(国科学皖固体物理研究所，舍肥中

对 TNi i形状记忆合金弹簧的热处理工艺及其对弹簧轴向热回

复行为的影响进行了研究 .结果表明，富 Nj丁i螺旋弹簧，经固的 Nj溶加时效处理后比一次热处理的试样有较高的热出力比 (温输出回高复力/低温变形力 )而热回复开始和终了温度比一欢热处理的弹簧，低；弹簧的轴向热固复开始和终了温度比经相同热处理的线段试样的低_ 关键词形状记忆舍金√

、,,

塑堕，里垫墼

1引

言

T Ni簧的热出力比及热回复温度的影响 i弹的研究结果。

目前双程形状记忆元件己获广泛应用 .

在双程形状记忆元件中，由形状记忆合金 (MA)线材制作成的螺旋弹簧和由偏置元 S件做成的双程形状记忆元件占重要地位。很

2实验过程本试验采用的 T Ni￥ i MA线材，一种是北京有色金属研究总院提供，名义成份为 Ti 05 t -5 .4 a%Ni丝径 15 mm,以下称，, 料：另~种是西北有色金属研究院提供，名义成份为 T - 5 5 t Ni丝径 i 0 3 a%,

多人对 S MA弹簧的设计包括用计算机设计的方法进行了研究“ ,而关于 S A弹 M簧的热处理研究报道甚少 . 众所周知，良好的形状记忆效应

( ME直接与记忆热处理有关 .另外， S ) S A的相转变温度决定于 S M MA的化学成份及热处理 .即使对一定化学组成的 S MA材料，为满足不同实用要求，也需要对其施以不同的热处理 .对 S MA弹簧这一实用元

1 r,以下称料。用，料制备螺旋压 . lf O￣l缩弹簧 3个，旋绕比均为 5 .用料制各螺旋压缩弹簧 1,旋绕比为 7个。所有弹簧的有效圈数均为 5总圈数为 7节距为

,, 5 mm。按照上述设计要求，加工了用于绕 制弹簧的钢模棒 .把 T Ni一端牢固地固 i线

件，为满足实用要求温度，需要对其进行专门的热处理研究 . 作为实用双程记忆元件， S A弹簧应 M

定在模棒头部，开始绕制弹簧，绕好后，弹簧的另一端 Ti线头也必须牢固地固定在 Ni

当满足下述要求： ()高于热回复温度时能 1输出较大回复力，在低温 (通常是室温 )有较低的变形力，把二者合并为一项指标称其为热出力比.即热出力比：高温输出回复力/低温变形力； ()符台元件工作要求的 2热回复温度 .本文报道了不同热处理对

模棒上，然后进行热处理 . 参照文献 C ) 2,并根据模拟实验结果， 对 TNi簧进行了下述热处理实验， ( ) i弹 1固溶加时效处理 .固溶处理温度 80℃ . 5

保温 1h ,室温水淬，时效温度 60℃, 5保温 1h室温水淬； ()一次退火处理， . 2

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稀有金屑封料与工程

2 2卷

退火温度分别为 6 0℃和 5 0℃,保温 0 0 lh接着空冷热处理后的弹簧及线段试 ,样，在 8℃热水和冰水中热冷循环 l 0 O

32热处理对热回复温度的影响 .

根据弹簧的热回复长度，计算热回复率= f工o/L,.热回复率与温度关系图 l 0作(-T图 ).而可方便地求出弹簧的起始和 y,从终了热回复温度 .由图 1中曲线 1得出可

次，以获得稳定的记忆效应 .热处理结束后，将弹簧从钢模上取下，用砂轮将弹簧两

端支撑圈打磨平整，然后测量热出力比及开始和终了热回复温度-

P S弹簧的起始热回复温度为 3℃,终了。 2 热回复温度为 3℃ .而经一次性处理 6(0℃加空冷 )的弹簧 P S其起始热回复 60 2温度为 4℃,终了热回复温度为 5℃, 4 2 均分别高于固溶加时效处理的弹簧的热回复温度 .

用 50k 0 g拉伸机测量了 S MA弹簧的

热回复力和室温变形力 .测量方法如下：室温下弹簧的自由长度，在拉伸机上将弹簧压缩至长度 L '压力大小为 .此时弹簧轴向应变

E。将弹簧固定在长度并加热升温，产生热回复力，随 S A弹簧加热温 M度升高热回复力加大，至最后其大小基本不变，此时热回复力大小为 E .则/即 为热出力比

用水浴法测定了 Ti M A弹簧的起 NiS始和终了热回复温度，测量方法如下：将弹簧置于冰水中，用手压缩后接着松开 .测量

弹簧自由长度 .然后把弹簧取出放人度热水中，测量其热回复后长度 L.再把 ;弹簧放人冰水中，用手压缩后松开 .使弹簧自由长度保持，把弹簧取出放人度热水中 (>T】,测量其热回复后长度， r2 )图1 P, P2 Ni簧及线段试样的 卿 S Ti弹回复行为

衄线 J P.弹簧 曲线 2线段试样

衄线 J

弹簧

又把弹簧放人冰水中，如此重复，至弹簧热回复长度基本不变则测量结束。实验表明，退火后炉冷或空冷对热回复温度没有明显的影响 .例如对从口料截下的线段试样 .经 5 0℃保温 l 0 h后，经炉冷和空冷的试样其开始热回复温度均为 5℃ .而终了热回复温度分别为 6℃ 0 l (冷试样 )和 6℃ (冷试样 )空 O炉 . 33弹簧与线段试样热回复温度的比较 .

3实验结果与分析玉 1热处理对 TN弹簧热出力比的影响 ii表 1为当轴向应变￡为 03时 .不同热 .处理的 S A弹簧的平均热出力比值。 M表 1 TI弹簧的热出力比值 NI

图 1中曲线 2表示从 P料中截取的线段试样并进行与 P S弹簧相同的固溶加时 效处理后的热回复行为。由图可知，线段试样的起始和终了热回复温度分别为 3℃和 6

4℃,分别比 P S弹簧的起始和终了热回 4 .由表 1结果可以看出 .经固溶加时效处理后的 TNi簧有较高的热出力比值 . i弹

复温度高 4℃和 8℃。 图 2曲线 1曲线 2分别表示弹簧 B 和 S和从口料截取的线段试样，经相同的固溶

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1期

颜世春等：T Ni i形状记忆台金弹簧的热处理

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和时效处理后的热回复行为。由图 2看出，

程尚需深人研究。

B S弹簧的起始和终了热回复

温度分别为 5℃和 6℃;线段试样的起始和终了热 2 O回复温度分别为 5℃和 6℃ .比 BS弹 6 4簧的起始和终了热回复温度均高 4℃。由 P料和口料制备的弹簧的实验结果均表

4结

论

1富 Ni TNiS .的 i MA螺旋压缩弹簧， 经 80℃/ l (淬 )+60℃/1 ( 5 h水 5 h水淬 )处理 .其弹簧的热出力比高于经6 0℃/l (冷 )或 5 0℃/l ( 0 h空 0 h空冷 )

明，弹簧的轴向热回复温度比经相同热处理的同批线段试样的热回复温度低。

的弹簧热出力比，而热回复温度比经后者处理的弹簧低；2S . MA弹簧的起始和终了热回复温

度，均分别低于由同批料上截取，且经相同热处理的线段试样的起始和终了热回复温度。致谢北京有色金属研究总院鄣锦芳，沈龙，西莉， 北有色金属研究院邓炬 .刘炳南，本所陈

高控昌等同志为奉实验给予帮助，在此一并致谢。

参

考

文

献

l Vc g s H, l a O n t e De ia o e d da tc r ut e L h s f Ps u o si g

S r g a d s r g S s ms D P y iu pi s n n p i y t . E h sq e n e/, 1 8; H q eC4S p lme t l 4 (2: 5 9 2 Co o u ,u p e n l 3 1 ) 2 a 8

2 BS T Ni簧及线段试样的热回复行为 i弹曲线 I S弹簧 B曲线 2线段试样

8 0 3 2 Ho'l ll l a/ T. Ni a e Ti -B sd S ae hp M e r mo y

为解释上述实验结果，我们曾完成下述

An y I Fu a u o H d S a e M e r Al y o s n_ n k b c h p mo y l s o.

实验：从口料截取二根线段 .一根弯成 u 字形，另一根为直线，经相同的固溶加时效处理。 DS测量结果表明，它们的起始热 C回复温度均为 4℃ .终了热回复温度则稍 9

To y: r o a d Bra h S in e P bi cs k oGo d n n e c cc c u]h r, sI8: - 1 9 7 6I 0I 3 N a a , l口 S u i s o h la i t

fTi i k iK e, t d e n t e Rei b l y o N i S p e ha e M mor l y p i d t e i a S i g y A l sAp] o H l l prn o c c M￣ h n c l En r ie sI: u You i s T Y a i a e g z r .n Ch y, u H a d K o Te h p e r l y s8, e I tr n As S a e M mo Alo/ 6Th n e - y n t n l S m p i m ai a o y os u o n S p ha e M c oy m r

有不同 .经约束处理的 u形试样的为7 l℃,直线段的为 6℃。另外 . S 9 MA弹簧除上述的轴向记忆效应外 .还有径向记忆效应，即从弹簧上取下其中一圈 .低温沿径向扩大或缩小，加热可回复到高温时的直径

Al y, uln l sG i,Ch a 1 8, o i n i, 9 6 Chi a m i b na Ac de c Pu—

ls e s1 8;5 - 4 ih r, 9 64 5 6I

大小。实验结果表明.与弹簧轴向热回复不同.相同热处理后 .弹簧径向起始和终了经

4李兵，江伯鸿，徐祖耀 .状记忆合金弹簧元件形的计算机辅助设计机械工程材料， 1 9;】 90 4( ) 3— 3 4: 2 5

热回复温度均高于线段试样的，即弹簧轴向 与径向热回复温度不同。因此，经约束热处理后的弹簧 .其轴向热回复产生的相转变过

{ 9 2年 4月 1 19 2日收修改稿)编辑吴爱珍

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2 2卷

H e t e t e tf rt eSp n sM a eo N i a eM e o yAl y a Tr a m n o h r g i d f Ti Sh p m r l oYa S c un J a g Zh n hih i n i

( t u eo o i y is a e cSn c, fi 2 0 3 ) I i t f] Ph s, d mi iia Hee ns t S d c Ac 3 0 1.

A￣ta t H e tte t e p O eS o h p i sm a f N i ha em e o y al ya J l e ' a r a m nt r C Sf rt es rng deo Ti p s m r lo ndise￣ to t ea a

t f n h xil

t r a p i c e v ro hes rn sha ebc n nu id . c ut n c t ha N i pia p igs hem ls rngba k b ha ou ft p i g v c d e Ther s]si dia et tTi r ls rn s t ih N ia tr s l to n h rc fe o u in a d——

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lw— e eau es anfr t a es窟 e t rae a l .h mp r tr e em a s r 0 tmp rt r t i c r i t n t i 1 h a e tds mpe T et r o e aoh h n e t s e eau ewh nt r l p - h

ig-ba k sa t n n r o rt n t a h i geh a r a e p i g esa ta n c t rsa d e dsa elwc ha h toft esn l e tte td s rn sTh t r nd￣ ih tm p a m s e￣ - Rr so ea ilt e m a o e lc ft x a h r l m—ba k of hes rn r lol we h n t to esr iht a pe f rs m c h c c p ig a eas o rt a ha f t h t tag m lsat a s et tr t n a e me t ta

Ke wo d s a cme y r a l D mor l s rng t r l o e ba l yal oy p i he ma m—吐 C

h a r a e t e tte Wn n

带缝合钢针的钛软丝临床应用于心脏手术中缝合胸骨心脏直视手术已开展 4 0余年.缝胸骨的材料以往采用不锈钢丝、聚乙烯线、银丝、 1双丝线等 . 0号 临床上有时出现丝线崩断，银丝、钢丝切割胸骨，导致胸骨裂开或畸形愈台或出现瘤样硬结或穿破皮肤以及感染等 . 19 9 0年至今我们采用西北有色金属研究院提供的伽 . 8 mm、005mm的钛软丝应用临床已达 近 10 0例，获得了满意敢果 . 00I .缝台钢针

材料选用 I lNiTi

Cr8 g,长度 5 0 mm,径有 16 I, 12 mm种型号，针尖为中心尖凸形 .尖与根直 ., . 4 3部的过度必须平滑，针尾用微型钻加工成伽 . mm和∞ 5 mm.深 4 8 ~6 mm圆孔，用以连接软丝，连接处牢固且不易折断. 2缝台软丝 .材料为西北有色金属研究院提供的 TAI TA2和，直径为 05 . .,08 mm,每根长 Im.软丝表面应光 滑、洁净、无结疤、裂缝、凹坑划伤等缺陷 .表 1比较了几种软丝的抗拉强度. 表 1戟丝抗拉强度比较 3临床应用 .18 9 9年至 19 9 0年采用不带钢针的钛软丝和

19 9 0年至今采用带钢针的钍软丝，在切开皮肤、 劈开胸骨、切开心脏手术中，每个病人缝胸骨 4~ 6针 .共应用 10 0余例 .经西安医科大学第一附 00属医院、新疆医学院附一医院、啥尔滨医科大学附一

医院、第三军医大学等仝国 7 5个做心脏手术的

大、中型医院应用和浙江武警总队医院等单位在骨科缝膑骨方面的应用均获满意敢果 .在组织中经受了血液 .淋巴液、组织问液、关节囊液等的浸渍 . 炎性反应轻，没有过敏及异物的反应，没有穿破皮肤切割胸骨等弊端，耐蚀性能优异，组织适应性强.钛软丝在心脏手术中的应用及骨科的应川，填补国内外空白，性能优于银丝、不锈钢丝 .聚乙烯线、 1 0号双丝线，是目前最好的医用缝合胸骨的软蝗 . 西安医科大学第一临床医学院郑国强张萍陈玉萍供稿