专利名称：一种基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法
技术领域：
本发明属于合金材料技术领域，涉及一种应力调控热膨胀行为的方法，尤其是一种基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法。
背景技术：
热胀冷缩是广泛存在于自然界的普遍现象，也是机械、电子、光学等许多领域面临的一个重要问题。由于组成材料的原子、离子、分子非简谐振动振幅会随温度上升而增大，大多数材料在升温过程中体积会膨胀。这种现象被称为正热膨胀。当一种材料被加热，其线性尺寸随着温度的升高而近似成比例的增加。随着温度的变化，材料的长度变化量为Δ L = L0 α ( Δ Τ)其中Λ T表示温度的变化，Ltl为加热前的初始长度，常数α为材料的热膨胀系数。对于固体材料而言，其热膨胀行为一般取决于该材料原子间键合力的种类和大小。因此，作为材料的基本属性，给定材料的热膨胀系数是一定的，即材料体积随温度的变化趋势与定量关系是不易被改变的。为了满足不同领域对材料热膨胀性能的要求，研究人员常采用将负热膨胀材料与正热膨胀材料复合来调控材料的热膨胀行为。但是复合方法会导致局部应力，加速材料的失效，最终缩短组件的寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，该方法利用合金中的应变玻璃相变所导致的微结构的不均匀性，使同一个材料在不同的应力作用下能够呈现正热膨胀，零热膨胀，甚至负热膨胀，以满足不同条件下对材料热膨胀性能的要求。该功能性的实现，不但可以根据实际需求，人为适时适度精确调控材料的热膨胀行为，避免精密器件上可能产生的热应力、热振动；而且也可以充分利用材料原有的特性，如合金固有的高导电性、高导热性以及高机械强度等性能，以制备新型的功能器件。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，包括以下步骤(I)选择母合金，使母合金满足以下条件I)母合金在降温过程中发生从高温母相到低温马氏体相的马氏体相变，并且这种马氏体相变会带来材料的体积膨胀；2)母合金中的这种马氏体相变，在外加应力的驱动下发生；(2)向步骤(I)选择的母合金中进行缺陷掺杂；使充分掺杂后的合金在降温过程中发生从高温母相到低温应变玻璃态的应变玻璃相变；(3)利用原位透射电子显微镜对高温母相和低温应变玻璃态进行结构对比分析，其必须满足的条件是应变玻璃态中的纳米尺寸马氏体畴的体积比相变前其对应的母相的体积大；
(4)对此应变玻璃合金施加不同大小的外力，通过改变合金中纳米尺寸马氏体畴的数量和尺寸来调控其在升、降温过程中的热膨胀行为。进一步的，上述步骤(2)中，缺陷掺杂包括点缺陷，第二相或位错。步骤(2 )中，通过动态力学测试和原位透射电子显微镜观察，确定掺杂后的合金在降温过程中发生从高温母相到低温应变玻璃态的应变玻璃相变。上述步骤(4)中,施加的外力包括拉应力或压应力。本发明具有以下有益效果本发明基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，使同一个材料在不同的应力作用下能呈现正热膨胀，零热膨胀，甚至负热膨胀，以满足不同条件下对材料热膨胀性能的要求。该功能性的实现在实际应用上具有重要意义，不但可以根据实际需求，人为适时适度精确调控材料的热膨胀行为，避免精密器件上可能产生的热应力、热振动；而且也可以充分利用材料原有的特性，如合金固有的高导电性、高导热性以及高机械强度等性能，以制备新型的功能器件。
图1为本发明的应变玻璃合金在外加应力的条件下进行热膨胀性能测试的示意图(a)拉伸模式(b)压缩模式；图2为Ti5tl (Pd39Cr11)合金的热膨胀性能随外加应力的变化关系曲线的示意图。
具体实施例方式本发明基于应 变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法为选择一种在降温过程中发生能够引起体积膨胀的马氏体相变的母合金，向母合金中掺入缺陷，从而阻碍马氏体相变的发生，即马氏体相变温度点随着掺杂浓度的增加而急剧降低。当掺杂浓度超过其临界值时，合金不再发生马氏体相变，而是发生一种应变玻璃相变。一部分高温母相在降温过程中转变成纳米尺寸马氏体畴，并且伴随着该部分合金的体积膨胀；而剩余的高温母相部分的结构保持不变，在降温过程中经历正常的体积收缩。然后，对此应变玻璃合金施加应力(拉应力、压应力)，纳米尺寸马氏体畴的数量和尺寸随着外加应力的增加而逐渐增大，因此引起的体积膨胀效应也逐渐增强。相反，不发生结构变化的母相基体的体积收缩效应逐渐减弱。因此，通过改变外加应力来调节纳米尺寸马氏体畴在合金中的体积分数，来调节上述体积膨胀和体积收缩这两种相反效应的比例，以实现对合金整体热膨胀行为的调控。具体按照以下步骤(I)选择母合金，该母合金可以为任何发生引起体积膨胀的马氏体相变的合金材料，使其满足以下条件I)母合金在降温过程中发生从高温母相到低温马氏体相的马氏体相变，并且这种马氏体相变会带来材料的体积膨胀；2)母合金中的这种马氏体相变，在外加应力的驱动下发生；(2)向步骤(I)选择的母合金中进行缺陷掺杂；通过动态力学测试和原位透射电子显微镜观察，确定充分掺杂后的合金在降温过程中发生从高温母相到低温应变玻璃态的应变玻璃相变；该步骤的掺杂为任何可以导致发生应变玻璃相变的缺陷，包括点缺陷，第二相，位错等。(3)利用原位透射电子显微镜对高温母相和低温应变玻璃态进行结构对比分析，其必须满足的条件是应变玻璃态中的纳米尺寸马氏体畴的体积比相变前其对应的母相的体积大；(4)对此应变玻璃合金施加不同大小的外力，施加的外力可以为拉应力，压应力等应力状态。通过改变合金中纳米尺寸马氏体畴的数量和尺寸来调控其在升、降温过程中的热膨胀行为。下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细描述实施例1 :(I)选择TiPd 二元合金为母合金，它在降温过程中发生一种B2 (母相)_B19 (马氏体相)的马氏体相变，并且伴随着合金的体积膨胀。(2)选择Cr作为掺杂合金元素来代替母合金中的部分Pd，形成Cr置换Pd型点缺陷。通过熔炼法制得不同Cr含量的合金，并进行高温固溶处理。采用差热扫描分析和电阻测试显示，随着Cr含量的增加，B2-B19马氏体相变温度急剧降低。当Cr含量超过其临界值(10%)时，马氏体相变被完全抑制，合金发生应变玻璃相变。(3)降温过程中的原位透射电子显微镜测试显示Ti5tl (Pd39Cr11)合金中一部分高温母相转变成纳米尺寸马氏体畴(9R)，并且结构分析显示这种转变(B2-9R)会引起该部分合金的体积膨胀，而剩余母相部分的结构保持不变。(4)通过化学腐蚀方 法制得长24mm，直径约为O.1mm的细丝进行拉伸模式下的热机械分析测试，如附图1(a)所示，上下各夹持2mm。通过施加不同的拉应力10，50，100, 200, 500, 800, IOOOmN,测得降温过程中材料长度变化量Λ L在各个拉应力状态下随温度的变化曲线。在曲线Λ Li上做切线，其斜率即为材料的热膨胀系数，如图2所示。最后可得Ti5tl (Pd39Cr11)合金的热膨胀系数随外加应力的变化关系曲线。实施例2 (I)选择TiPd 二元合金为母合金，它在降温过程中发生一种Β2 (母相)_Β19 (马氏体相)的马氏体相变，并且伴随着合金的体积膨胀。(2)选择Cr作为掺杂合金元素来代替母合金中的部分Pd，形成Cr置换Pd型点缺陷。通过熔炼法制得不同Cr含量的合金，并进行高温固溶处理。采用差热扫描分析和电阻测试显示，随着Cr含量的增加，Β2-Β19马氏体相变温度急剧降低。当Cr含量超过其临界值(10%)时，马氏体相变被完全抑制，合金发生应变玻璃相变。(3)降温过程中的原位透射电子显微镜测试测试显示Ti5tl (Pd39Cr11)合金中一部分高温母相转变成纳米尺寸马氏体畴(9R)，并且结构分析显示这种转变(B2-9R)会引起该部分合金的体积膨胀，而剩余母相部分的结构保持不变。(4)通过线切割方法制得的柱子进行压缩模式下的热机械分析测试，如附图1(b)所示。通过施加不同的压应力1N，1.5N，2N，3N，测得降温过程中材料长度变化量AL在各个压应力状态下随温度的变化曲线。在曲线上做切线，其斜率即为材料的热膨胀系数。最后可得Ti5tl (Pd39Cr11)合金的热膨胀系数随外加应力的变化关系曲线。实施例3
(I)选择TiPd 二元合金为母合金，它在降温过程中发生一种B2 (母相)_B19 (马氏体相)的马氏体相变，并且伴随着合金的体积膨胀。(2)选择Fe作为掺杂合金元素来代替母合金的部分Pd，形成Fe置换Pd型点缺陷。通过熔炼法制得不同Fe含量的合金，并进行高温固溶处理。采用差热扫描分析和电阻测试显示，随着Fe含量的增加，B2-B19马氏体相变温度急剧降低。当Fe含量超过其临界值(15%)时，马氏体相变被完全抑制，合金发生应变玻璃相变。(3)降温过程中的原位透射电子显微镜测试测试显示Ti5tl (Pd35Fe15)合金中一部分高温母相转变成纳米尺寸马氏体畴(9R)，并且结构分析显示这种转变(B2-9R)会引起该部分合金的体积膨胀，而剩余母相部分的结构保持不变。(4)通过化学腐蚀方法制得长24_，直径约为O.1mm的细丝进行热机械分析测试，如图1(a)所示，上下各夹持2mm。通过施加不同的拉应力10，50，100, 200, 500, 800, IOOOmN,测得降温过程中材料长度变化量AL在各个拉应力状态下随温度的变化曲线。在曲线AfT上做切线，其斜率即为材料的热膨胀系数。最后可得Ti5tl (Pd35Fe15)合金的热膨胀系数随外加应力的变化关系曲线。实施例4 (I)选择Mn9tlCultl 二元合金为母合金，它在降温过程中发生一种面心立方(母相)到面心四方(马氏体相)的马氏体相变，并且伴随着合金的体积膨胀。(2)选择C作为掺杂合金元素来代替母合金中的部分Mn，形成C置换Mn型点缺陷。通过熔炼法制得不同C含量的合金，并进行高温固溶处理。采用差热扫描分析和电阻测试显示，随着C含量的增加，面心立方到面心四方的马氏体相变温度急剧降低。当C含量超过其临界值(7%)时，马氏体相变被完全抑制，合金发生应变玻璃相变。(3)降温过程中的原位透射电子显微镜测试测试显示(Mn82C8)Cultl合金中一部分高温母相转变成纳米尺寸马氏体畴(面心四方)，并且结构分析显示这种转变(面心立方到面心四方)会引起该部分合金的体积膨胀，而剩余母相部分的结构保持不变。(4)通过化学腐蚀方法制得长24mm，直径约为O.1mm的细丝进行热机械分析测试，如图1(a)所示，上下各夹持2mm。通过施加不同的拉应力10，50，100, 200, 500, 800, IOOOmN,测得降温过程中材料长度变化量AL在各个拉应力状态下随温度的变化曲线。在曲线ΛΙΓΓ上做切线，其斜率即为材料的热膨胀系数。最后可得(Mn82C8)Cultl合金的热膨胀系数随外加应力的变化关系曲线。
权利要求
1.一种基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，其特征在于，包括以下步骤 (O选择母合金，使母合金满足以下条件 1)母合金在降温过程中发生从高温母相到低温马氏体相的马氏体相变，并且这种马氏体相变会引起材料的体积膨胀； 2)母合金中的这种马氏体相变，在外加应力的驱动下发生； (2)向步骤(I)选择的母合金中进行缺陷掺杂；使充分掺杂后的合金在降温过程中发生从高温母相到低温应变玻璃态的应变玻璃相变； (3)利用原位透射电子显微镜对高温母相和低温应变玻璃态进行结构对比分析，其必须满足的条件是应变玻璃态中的纳米尺寸马氏体畴的体积比相变前其对应的母相的体积大； (4)对此应变玻璃合金施加不同大小的外力，通过改变合金中纳米尺寸马氏体畴的数量和尺寸来调控其在升、降温过程中的热膨胀行为。
2.根据权利要求1所述的基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，其特征在于，步骤(2)中，缺陷掺杂为任何可以导致发生应变玻璃相变的缺陷。
3.根据权利要求1所述的基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，其特征在于，步骤(2)中，通过动态力学测试和原位透射电子显微镜观察，确定掺杂后的合金在降温过程中发生从高温母相到低温应变玻璃态的应变玻璃相变。
4.根据权利要求1所述的基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，其特征在于,步骤(4)中,施加的外力包括拉应力或压应力。
全文摘要
本发明公开了一种基于应变玻璃相变的应力调控热膨胀行为的方法，该方法首先选择可以为任何发生引起体积膨胀的马氏体相变的合金材料作为母合金，然后其中进行缺陷掺杂，再利用原位透射电子显微镜对高温母相和低温应变玻璃态进行结构对比分析，使其满足应变玻璃态中的类马氏体畴的体积比相变前其对应的母相的体积大；最后对应变玻璃合金施加不同大小的外力，通过改变合金中类马氏体畴的数量和大小来调控其在升降温过程中的热膨胀行为。本发明不但可以根据实际需求，人为适时精确调控材料的热膨胀行为，避免精密器件上可能产生的热应力、热振动；而且也可以充分利用原材料的特性，如合金固有的高导电性、高导热性以及高机械强度等性能。
文档编号C22F1/00GK103031429SQ201210539289
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者孙军, 丁向东, 周玉美, 薛德祯, 任晓兵 申请人:西安交通大学