NiTi形狀記憶合金宏細觀熱-力耦合循環(huán)本構模型研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金以其優(yōu)越的超彈性、形狀記憶特性、生物相容性以及高阻尼特性，被廣泛地應用在航空航天、生物醫(yī)學工程、土木工程等領域。NiTi形狀記憶合金作為結構中的關鍵元件，在服役過程中常常受到循環(huán)熱-力荷載的作用。在NiTi形狀記憶合金的循環(huán)變形過程中，功能性劣化（超彈性和形狀記憶效應的劣化）和熱-力耦合效應是兩個不可忽略的重要因素，并且相互作用和影響。因此，很有必要建立考慮功能性劣化特性和熱-力耦合效應的本構模型來描述和預測NiTi

2、形狀記憶合金結構和器件在各種復雜熱-力荷載作用下的循環(huán)變形特性。近年來，已有不少學者基于實驗現(xiàn)象在不同尺度上建立了NiTi形狀記憶合金的本構模型。在宏觀尺度上，已有的模型僅僅考慮了功能性劣化特性或熱-力耦合效應中的一種，對功能性劣化特性的描述采用唯象方法，缺乏相應的物理機理。在細觀尺度上，已有的模型僅僅關注NiTi形狀記憶合金在一個加-卸載下的熱-力學響應，由于尚未考慮到材料功能性劣化所對應的內(nèi)在機制，無法對NiTi形狀記憶合金循環(huán)變形

3、特性給出合理的描述。
　　可見，已有的本構模型還不夠完善，仍有較大的局限性。針對以上不足，本文將在不同尺度下建立NiTi形狀記憶合金的熱力耦合循環(huán)本構模型，開展的創(chuàng)新性工作如下:
　　(1)在宏觀尺度下，通過對已有宏觀-微觀實驗現(xiàn)象的總結，提出了NiTi形狀記憶合金在循環(huán)變形過程中超彈性劣化的物理機理，即馬氏體相變和缺陷的交互作用。基于熱力學框架，針對超彈性NiTi形狀記憶合金建立了一個能夠同時描述其超彈性劣化和率相關變形行

4、為的熱-力耦合循環(huán)本構模型。通過模擬和預測超彈性NiTi形狀記憶合金在不同加載率下的循環(huán)變形特性，驗證了該模型的預測能力。進一步，采用該模型預測了超彈性NiTi形狀記憶合金溫度相關的循環(huán)變形特性。
　　(2)在單晶代表性體積單元上，通過確定的晶體學位向關系引入多種非彈性變形機制，即馬氏體相變、馬氏體重定向、馬氏體解孿、奧氏體塑性和馬氏體塑性，基于熱力學框架在單晶尺度下建立了熱-力耦合本構模型。通過顯式過渡準則和溫度均勻性假設，將單

5、晶模型過渡到了多晶。通過對多晶NiTi形狀記憶合金在不同溫度、不同加載率、不同應力水平下的單軸和非比例多軸熱-力耦合變形特性的描述和預測，驗證了模型的合理性和全面性。
　　(3)通過總結已有的宏觀-微觀實驗觀察，提出了一種新的非彈性變形機制，即馬氏體重定向誘發(fā)塑性。在工作(2)建立的晶體塑性模型基礎上，進一步在單晶代表性體積單元上定量引入和NiTi形狀記憶合金功能性劣化相關的非彈性變形機制，即相變誘發(fā)塑性、重定向誘發(fā)塑性和殘余馬氏

6、體的累積，進而基于熱力學框架在單晶尺度下建立了熱-力耦合本構模型。通過顯式過渡準則和溫度均勻性假設，將單晶模型過渡到多晶。通過對多晶NiTi形狀記憶合金在不同溫度下的單軸、非比例多軸以及率相關循環(huán)變形行為進行了模擬和預測，驗證了模型的預測能力。
　　(4)在單晶代表性體積單元上，考慮馬氏體相變和相變誘發(fā)塑性兩種非彈性變形機制。將24個馬氏體處理成形態(tài)相同、但晶體學位向不同的橢球形夾雜鑲嵌在彈性各向異性的奧氏體基體中，并進一步采用M