NiTi形狀記憶合金的偽彈性特性及其微結(jié)構(gòu)機(jī)理的研究.pdf

1、形狀記憶合金是一種能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的材料。由于具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、相變偽彈性、鐵彈性等特殊功能,近年來日益受到人們巨大的關(guān)注,并迅速在工業(yè)、國防、儀表和醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。作為一種機(jī)敏材料,形狀記憶合金本構(gòu)關(guān)系的研究對其應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。人們已經(jīng)認(rèn)識到材料的宏觀變形特性取決于材料的微結(jié)構(gòu)特征及其變化。對NiTi形狀記憶合金的試驗(yàn)研究表明,它在拉伸和扭轉(zhuǎn)過程中宏觀響應(yīng)特性存在明顯的差異,而這種差異與其相變微結(jié)構(gòu)的差

2、異緊密相關(guān)。為了合理地描述此類材料在復(fù)雜加載路徑下的響應(yīng)特性及微結(jié)構(gòu)依賴性,有必要發(fā)展一種基于材料微結(jié)構(gòu)的跨層次的分析方法。本文在分析國內(nèi)外有關(guān)形狀記憶合金本構(gòu)行為研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合近年來有關(guān)NiTi形狀記憶合金試驗(yàn)研究得到的新現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了特殊的夾具,利用掃描電鏡和體視顯微鏡對不同加載條件下試件相變時(shí)的表面形態(tài)進(jìn)行了觀察和分析。根據(jù)觀察到的相變微結(jié)構(gòu)對NiTi形狀記憶合金的拉伸和扭轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了有限元模擬,進(jìn)而建立了基于相變微結(jié)構(gòu)及其

3、變化的跨層次的本構(gòu)模型,對NiTi形狀記憶合金的偽彈性特性進(jìn)行了描述,并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了比較。論文的主要工作和結(jié)論如下:(1)對NiTi形狀記憶合金在拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中超彈性響應(yīng)的研究成果進(jìn)行了回顧,特別分析了在拉伸和扭轉(zhuǎn)過程中的宏觀響應(yīng)特性差異及其微結(jié)構(gòu)的演化,并針對NiTi形狀記憶合金微管的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果,初步猜測微管試件在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的相變微結(jié)構(gòu)可能為細(xì)小的馬氏體和奧氏體片層相間的片層狀結(jié)構(gòu),NiTi形狀記憶合金的拉伸和扭轉(zhuǎn)特性的巨大

4、差異與其相變微結(jié)構(gòu)的巨大差異密切相關(guān)。(2)針對不同應(yīng)力狀態(tài)下材料相變時(shí)不同的微結(jié)構(gòu)特征及其變化,設(shè)計(jì)并加工了專用的拉扭加載裝置,對試件施加拉扭載荷,將其“凍結(jié)”在特定的應(yīng)力狀態(tài)下,進(jìn)而采用掃描電鏡,體視顯微鏡等對試件的表面形態(tài)進(jìn)行觀察和分析。觀察發(fā)現(xiàn)材料在拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生相變時(shí)試件表面微結(jié)構(gòu)都是由奧氏體片和馬氏體片交替疊合而成的片層狀結(jié)構(gòu)。在扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生相變時(shí),其表面形成的片層結(jié)構(gòu)分布較均勻,片層間距小。相反在拉伸載荷作

5、用時(shí),馬氏體相的形核和發(fā)展都表現(xiàn)出高度的局部化,試件表面出現(xiàn)宏觀馬氏體帶。試驗(yàn)觀察驗(yàn)證了關(guān)于扭轉(zhuǎn)載荷下試件相變微結(jié)構(gòu)的猜測。(3)基于試驗(yàn)觀察到的相變微結(jié)構(gòu),借助ABAQUS軟件對NiTi形狀記憶合金微管在拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷下的響應(yīng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果很好地重現(xiàn)了NiTi形狀記憶合金微管的宏觀響應(yīng)特性,從而確認(rèn)了相變微結(jié)構(gòu)對材料宏觀響應(yīng)特性的影響。分析表明在應(yīng)力誘發(fā)的相變過程中,隨著兩相材料體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化,相間約束將發(fā)生劇烈變化,當(dāng)軟

6、相的層厚較小時(shí),約束較強(qiáng)。(4)基于對NiTi形狀記憶合金微薄壁管的實(shí)驗(yàn)觀察及有限元分析,假設(shè)NiTi形狀記憶合金材料由不同取向的代表性單元構(gòu)成,每個(gè)代表性單元又為馬氏體片和奧氏體片交替疊合的片層狀結(jié)構(gòu),建立了跨微-細(xì)-宏觀三個(gè)尺度的本構(gòu)模型體系。假設(shè)奧氏體相為彈塑性而馬氏體相為線彈性,采用簡單機(jī)械模型推導(dǎo)了馬氏體相的本構(gòu)模型。進(jìn)而考慮到基于以面內(nèi)應(yīng)變協(xié)調(diào)、面外應(yīng)力協(xié)調(diào)假設(shè)為基礎(chǔ)建立的細(xì)片層狀胞元模型應(yīng)用于片層間距較大場合的局限性,引入

7、參數(shù)κ消除細(xì)片層狀胞元模型應(yīng)用于片層間距較大場合時(shí)存在的虛假體積應(yīng)變,將細(xì)片層狀胞元模型拓展到有限層厚的場合;在此基礎(chǔ)上利用Hill自洽方法和各向異性Eshelby張量得到NiTi的彈塑性本構(gòu)響應(yīng)。(5)利用所建立的跨尺度的分析方法,發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)值算法和程序,對NiTi形狀記憶合金微管在拉、扭及復(fù)雜載荷下的響應(yīng)特性進(jìn)行了分析,與試驗(yàn)結(jié)果的對比表明,建立的本構(gòu)模型較好地描述了拉伸試驗(yàn)過程中的應(yīng)力跌落現(xiàn)象和NiTi形狀記憶合金材料在拉伸和