近等原子比NiTi形状记忆合金(镍的原子百分数为48%～52%)属于一种功能材料，除了具有良好的形状记忆效应和超弹性之外，还具有良好的耐蚀性、生物相容性和力学相容性，因而其在生物医学领域和航空航天领域得到了广泛的应用^[1-3]。众所周知，塑性加工是制造NiTi形状记忆合金制品必不可少的手段。尤其重要的是，塑性加工不仅能够改变NiTi形状记忆合金的尺寸和精度，而且会影响NiTi形状记忆合金的微观组织结构，从而会影响NiTi形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性。因此，在NiTi形状记忆合金塑性加工的过程中，合理控制工艺参数是非常必要的。由于NiTi形状记忆合金在相对较低温度下的加工硬化能力非常强，难以加工，因而需要在高温下进行成形。因此，揭示NiTi形状记忆合金高温变形行为，研究NiTi形状记忆合金的热加工性，对于获得优良的组织性能具有重要的意义。

热加工图是一种评价金属材料热加工性能的优劣、进而优化热加工工艺参数的有效工具。热加工图可以根据金属高温塑性变形能量耗散的基本规律，结合其微观组织特征，获得金属高温塑性变形的稳定流动区域，获取最佳工艺参数(如变形温度和变形速率)，从而获得没有组织缺陷的金属制品^[4-6]。本研究以Ni_50.9Ti_49.1(原子分数)形状记忆合金为研究对象，研究了其高温变形行为，构建了其热加工图，获得了具有稳定流动区域的最佳工艺参数，为该合金的高温成形提供了理论依据。

1 材料及方法

采用真空感应熔炼法制备了名义成分为Ni_50.9Ti_49.1的形状记忆合金，该合金在800 ℃轧制成直径为12 mm的棒材。为了使该合金的成分和组织均匀，将该合金进行了固溶入处理，即在850 ℃下加热并保温2 h后淬入冰水中。图 1所示为经固溶处理后的Ni_50.9Ti_49.1合金的金相显微组织照片。然后，采用电火花加工方法从经固溶入处理的NiTi合金棒上切取20个直径为4 mm，高度为6 mm的圆柱试样用于等温压缩实验。压缩实验在INSTRON-5500R万能材料试验机上进行，变形温度分别为600、700、800、900和1 000 ℃，应变速率分别为0.001、0.01、0.1和1 s^-1，压缩变形程度均为70%。

2 Ni_50.9Ti_49.1合金压缩变形行为

图 2所示为通过等温压缩实验获得的温度为600~1 000 ℃和应变速率为0.001~1 s^-1条件下的Ni_50.9Ti_49.1合金的真应力-真应变曲线。由图 2可以看出，在不同应变速率和变形温度下，该NiTi合金的流变曲线具有相似的力学特征。塑性变形的初始阶段为加工硬化阶段，由于位错密度增加的速率大于交滑移引起的软化速率，加工硬化的作用比较强，导致应力迅速上升；当应变达到某一值后材料内部开始发生动态再结晶或动态回复等，从而使硬化率下降；当应力达到最大值后，动态软化超过加工硬化而使曲线下降；随着真应变的继续增加，动态软化与加工硬化平衡，流变应力趋于稳定。从图 2还可以看出，当应变速率一定时，流变应力随着变形温度的升高而减小。在一定的变形温度下，流变应力随着应变速率的增大而增大，说明该NiTi合金对应变速率敏感。

3 Ni_50.9Ti_49.1合金热加工图的构建 3.1 热加工图的基本原理

动态材料模型(DMM)通常被看作是一种构建热变形材料加工图的最有效方法。在材料的变形过程中，耗散能P可以分为2部分，即塑性变形过程中消耗的能量G和组织转变过程中消耗的能量J。因此，耗散能P可以表示为^[7]

式中：G称为耗散量，J称为耗散协量。

在给定应变ε和温度T下，材料在热变形过程中的应力σ和应变速率满足幂率关系，即

式中：K为材料因子，m为应变速率敏感系数，它是变形能与组织转变能之间的分配系数。m值可由式(3) 求得：

在给定应变ε和温度T的条件下，耗散协量J可以表示为

通常而言，m是随着温度T和呈非线性变化的。当m等于1时材料呈完美的线性耗散状态，此时耗散协量J达到最大值J_max^[8]，则有

因此，耗散率η可由式(4) 和式(5) 联合求得，其表达式为

式中η是一个无量纲参数，其随着温度、应变和应变速率而变化。在给定应变条件下，通过绘制耗散率η关于应变速率和温度T的等值线图便可获得耗散图。

耗散图可以反映出由材料的耗散能引起的组织变化规律。但是，某一区域的加工性能好坏不能只通过耗散图来确定，因为加工性能不好的区域也可能具有较大的η值。因此，需要一个用来判断材料加工稳定性的判据。基于最大焓原理，塑性流变失稳条件可由式(7) 给出：^[9]

式中D为特定温度下的耗散函数，由动态材料模型可知，D等于J。因而，式(7) 可以写作

经过数学变换后，式(8) 可以表示为

将式(9) 的结果代入式(8) ，可得

随后，将式(4) 代入式(10) 可得

因此，材料在塑性变形过程中的流变失稳判据可以推导为^[10]

式中ξ()是一个与温度和应变速率有关的函数。在给定应变下，通过绘制失稳参数ξ关于应变速率和温度T的等值线图便可获得加工失稳图。由于塑性变形发生冶金失稳区域的ξ值为负值，所以由失稳图可以确定热加工过程中的失稳区。将失稳图与耗散图耦合在一起便可得到热加工图。

3.2 热加工图的绘制与分析

图 3为拟合得到的不同应变下的lg σ与lg 之间的线性关系。可以看出，lg σ与lg 之间存在较好的线性关系，所以该材料满足动态材料模型的假设。

通过对这些数据进行三次样条拟合，可得到拟合的lgσ 关于lg的三次样条曲线。然后，根据式(3) 对这些曲线进行求导，便可得到一系列m值。因此，根据式(6) 便可得到不同变形条件下的耗散率η值。

图 4、5分别为不同应变下的三维耗散表面图和二维耗散等值线图。这些耗散图不仅能描述热变形过程中材料内部焓的相对变化率，而且还能粗略地估算不同温度和不同应变速率下的组织变化。较高的η值通常说明变形组织的性能较好^[11]。由图 4、5可以看出所有应变下的高η值都位于中低应变速率和中低温度下，且高η值区域随着真应变的增大而逐渐减小，到变形结束时主要集中在中温区和中等应变速率区。另外，η最大值还随着真应变的增大而减小。上述现象表明NiTi合金材料变形组织的性能随着变形程度的增大而逐渐变差。

图 6所示为将耗散图与失稳图相叠加得到的Ni_50.9Ti_49.1形状记忆合金的热加工图。

图中的灰色区域为加工失稳区，白色区域为加工稳定区。由图 6可以看出，该NiTi形状记忆合金的失稳区随着真应变的增大而增大，再一次说明了材料的热加工性能随着变形程度的增大而变差。另外，该合金的失稳区主要集中在高应变速率区，根据最终变形程度，即真应变为1.2时的加工图(图 6(d))可知，当变形温度高于800 ℃时，该NiTi形状记忆合金不适合在应变速率高于0.1 s^-1的条件下进行热加工；而当变形温度低于800 ℃时，应变速率应不高于0.025 s^-1，这说明变形温度越低，其加工性能越差。但加工稳定区也不一定全部适合材料的热加工。通常而言，加工稳定区的高ε值表明材料在变形过程中将较高比例的能量消耗在了组织演变，如动态再结晶、动态回复和相变等过程中。因此高ε值区更适合材料进行热加工。由图 6(d)可以看出，加工稳定区的高η值主要位于加工图的中间区域，即温度为700~950 ℃、应变速率为0.005~0.05 s^-1的区域内。前人的研究成果已经证明当η 值介于0.3~0.5时可能会发生动态再结晶^[12-13]。图 6中高η值区内的η值均介于0.3~0.5，表明该NiTi形状记忆合金在该区域变形时可能发生了动态再结晶。动态再结晶可以使材料的组织变得更加均匀，并使变形组织的晶粒得到细化，有助于提高材料的性能。因此，上述稳定区内的高η值区是NiTi形状记忆合金的最优热加工区。另外，加工稳定区内还存在一些η值非常低的区域，说明在这些区域进行热加工虽然不会产生严重的加工缺陷，但可能会引起变形组织的不均匀等缺陷，因此该合金最好也不要在这些区域进行热加工。

4 结论

1) 当应变速率一定时，Ni_50.9Ti_49.1合金的流变应力随着变形温度的升高而减小。而当变形温度一定时，流变应力随着应变速率的增大而增大，说明该NiTi合金对应变速率敏感。

2) 较高的η值通常说明变形组织的性能较好。Ni_50.9Ti_49.1合金的高η值区域随着真应变的增大而逐渐减小，且η最大值也随着真应变的增大而减小。另外，该NiTi合金的热变形失稳区随着真应变的增大而增大。

3) Ni_50.9Ti_49.1合金的失稳区主要集中在高应变速率区，当变形温度高于800 ℃时，该合金不适合在应变速率高于0.1 s^-1的条件下进行热加工，而当变形温度低于800 ℃时，应变速率应不高于0.025 s^-1，这说明变形温度越低，其加工性能越差。Ni_50.9Ti_49.1合金的最佳热加工区域为具有高η值的稳定加工区，即温度为700~950 ℃，应变速率为0.005~0.05 s^-1。