不同加載方式下NiTi形狀記憶合金缺口-裂紋試樣力學行為的研究.pdf

1、本文通過有限元模擬和實驗相結合的方法，主要研究了NiTi形狀記憶合金在不同加載方式下缺口/裂紋試樣的力學行為，即缺口/裂紋前端的應力-應變，馬氏體相轉變隨外加載荷，試樣缺口幾何尺寸，應力狀態(tài)，加載方式和加載歷史的演化規(guī)律。對NiTi合金CT缺口試樣的斷裂機理及取樣位向的影響也進行了研究。得到的主要結論如下： (1)NiTi合金缺口試樣加載時，缺口尖端奧氏體向馬氏體(A→M)轉變開始和結束時的載荷以及卸載時馬氏體向奧氏體(M→A)

2、逆轉變開始和結束時的載荷，即四個特征載荷，均隨著缺口根半徑的增加而增大。在特征載荷下，缺口前端的最大正應力σyy和等效應變ε以及相應于馬氏體相變的應力平臺的長度均隨著缺口根半徑的增加而增大。缺口前端的馬氏體體積分數(shù)隨著到缺口尖端距離的增加逐漸下降，在特征載荷下，隨著根半徑增加，馬氏體體積分數(shù)增加，發(fā)生馬氏體相轉變的區(qū)域增大。在不同的特征載荷區(qū)間，應力σyy具有不同的分布特征。 (2)在循環(huán)加載下，隨著外加載荷的增加，裂紋尖端的最

3、大正應力、應變和馬氏體體積分數(shù)均增加，隨離開裂紋尖端距離的增加逐漸減小。當載荷卸載到Pmin=0時，仍殘留有一些未轉變的馬氏體，類似于不能恢復的塑性區(qū)，在很靠近裂紋尖端形成壓應力，隨離開裂尖距離的增加，壓應力逐漸減小到零。隨循環(huán)次數(shù)N的增加，由于裂尖前累積的殘余馬氏體量越多，裂尖前的殘余壓應力和應變增加。裂紋尖端的正應力σyy、應變ε和馬氏體體積分數(shù)f隨應力場強度因子幅值△K和應力比R的增大而增大。 (3)對于NiTi合金CT缺

4、口試樣，當載荷達到最大值Pmax左右時，裂紋形成于缺口尖端的全馬氏體區(qū)中。裂紋剛開裂時，主要為準解理和韌窩的混合斷口，裂紋以準解理和微孔型延性斷裂相混合的方式穩(wěn)定擴展。當裂紋擴展超過150～200μm左右后，主要為準解理和解理的混合型斷裂，以解理型斷裂為主，裂紋擴展速度較快，為失穩(wěn)擴展。裂紋由穩(wěn)定擴展轉變?yōu)槭Х€(wěn)擴展的原因是：隨裂紋擴展長度增加，正應力σyy和應變ε增加。失穩(wěn)擴展的裂紋釋放了彈性能，且載荷突然下降，裂尖前應力下降，因此失穩(wěn)

5、擴展的裂紋停止又轉變?yōu)橐詼式饫矸绞綖橹鳎殡S著剪切撕裂的穩(wěn)定擴展。不同取樣位向的試樣，其宏觀斷裂行為和細觀斷裂機理沒有明顯的不同。但在22.5°≤θ≤67.5°范圍內(nèi)，Pmax較高，表明裂紋起裂和擴展的阻力要稍大一些，韌窩比例較多，此時斷裂起裂以微孔型延性斷裂為主，消耗能量高，因此起裂韌性高。 (4)Mode Ⅰ加載，缺口前應力σe、應變ε和馬氏體體積分數(shù)f的分布對稱；ModeⅠ/Ⅱ復合型加載，缺口一側鈍化，一側銳化，缺口前σ

6、e、ε和f的分布不對稱，且σe、ε和f的最大值分布區(qū)域均出現(xiàn)在缺口鈍化一側；隨偏心距S0的減小(即ModeⅡ比例的增加)，σe、ε和f的最大值區(qū)域順時針旋轉的角度θ增大。平面應變狀態(tài)下，缺口前端的三軸應力度σm/σe相對較大，對馬氏體相轉變的約束作用較大，Ps和Pf高于平面應力狀態(tài)(S0相同時)。當P大于Pf，缺口鈍化側尖端的σe、ε最高，裂紋將起裂于此尖端，并沿“塑性區(qū)”最小路徑方向擴展于缺口前的全馬氏體區(qū)中。隨著S0降低，特征載荷P