鎳鈦鈮形狀記憶合金特性的試驗與本構(gòu)模型研究.pdf

1、形狀記憶合金因其獨特的偽彈性和形狀記憶效應(yīng)，近幾十年來受到了廣泛關(guān)注。NiTiNb形狀記憶合金作為NiTi基合金的重要成員，在一定的溫度(Ms+30℃)下經(jīng)歷一定的預(yù)變形(約16％)后可獲得寬的相變滯后效應(yīng)和較好的形狀記憶效應(yīng)，使該材料制作而成的管接頭等連接件能夠在常溫下運輸和儲存，從而大大方便了應(yīng)用。另一方面，隨著科技的發(fā)展，材料與結(jié)構(gòu)的使役條件日益苛刻，形狀記憶合金實際使用過程中不可避免的卷入塑性變形，而塑性變形對形狀記憶合金的逆相

2、變應(yīng)力和滯后溫度有著顯著的影響。
　　為了更好的利用這種材料，國內(nèi)外的學(xué)者對其熱力學(xué)特性進行了大量的研究工作。本文在系統(tǒng)地分析國內(nèi)外有關(guān)形狀記憶合金試驗和本構(gòu)行為研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來有關(guān)Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金試驗及本構(gòu)模型的發(fā)展，對Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的熱—力學(xué)特性進行了較為系統(tǒng)的試驗研究，在此基礎(chǔ)上提出了一種考慮塑性變形影響和片層狀微結(jié)構(gòu)的跨層次形狀記憶合金本構(gòu)模型及Ni47Ti44Nb9形狀記

3、憶合金的細(xì)觀力學(xué)模型。取得了以下進展：
　　1、對Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金進行了系統(tǒng)的試驗研究：運用微觀觀測手段觀察了合金的微觀組織結(jié)構(gòu)并測量了其各組成成分；運用DSC和XRD方法測量了合金的特征相變溫度點和組織狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進行了不同溫度條件下合金的單軸拉伸試驗和純扭轉(zhuǎn)試驗及其升溫回復(fù)特性研究；研究了Ms+30℃溫度下不同拉扭比例的比例加載、先拉后扭和先扭后拉三種典型路徑下的力學(xué)響應(yīng)及相應(yīng)的升溫回復(fù)特性的比較；利用X

4、RD方法測量了不同加載路徑條件下材料內(nèi)部激活的不同變體。試驗結(jié)果表明，常溫下基體材料由細(xì)條狀的奧氏體組成，富Nb相顆粒彌散分布在NiTi基體中；材料在拉伸和扭轉(zhuǎn)變形下的響應(yīng)具有顯著差異，包括應(yīng)力應(yīng)變曲線及試件表面形貌，但其相變應(yīng)力都隨著環(huán)境溫度的升高而升高；雙軸路徑下材料的力學(xué)響應(yīng)及升溫回復(fù)特性強烈的依賴于加載路徑，并在應(yīng)變空間中沿最短路徑回復(fù)；單軸拉伸和純扭轉(zhuǎn)加載方式在材料內(nèi)部激活的馬氏體變體不同，而拉—扭二維加載路徑下激活的變體是二

5、者的疊加。
　　2、基于非經(jīng)典塑性理論建立了各相本構(gòu)模型并改進了相變控制方程：將形狀記憶合金看作馬氏體相和奧氏體相的混合物，將馬氏體相考慮成彈性-相變(重取向)-塑性三個部分組成，將奧氏體相考慮成彈性-塑性兩個部分，基于非經(jīng)典塑性理論建立了馬氏體相和奧氏體相本構(gòu)模型。考慮到塑性變形對材料逆相變應(yīng)力和相變滯后溫度的影響，對Tanaka相變控制方程進行了改進。
　　3、建立了考慮塑性變形和材料微結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金本構(gòu)模型：基于試

6、驗觀察到的形狀記憶合金片層狀微結(jié)構(gòu)，將其考慮成馬氏體薄片和奧氏體薄片相互疊合而成的代表性體積單元，馬氏體片和奧氏體片的本構(gòu)關(guān)系采用前一部分建立的本構(gòu)方程，通過內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的協(xié)調(diào)關(guān)系建立了代表性體積單元的本構(gòu)關(guān)系。將形狀記憶合金多晶考慮為沿正二十面體面法向進行取向平均后的代表性單元組集而成，利用Hill自洽方法，得到了考慮塑性影響和材料微結(jié)構(gòu)形式的跨層次形狀記憶合金本構(gòu)模型。利用該模型對形狀記憶合金的鐵彈性和偽彈性進行了模擬，計算結(jié)果與試

7、驗結(jié)果吻合較好；對不同應(yīng)變幅值塑性變形對逆相變應(yīng)力進行了數(shù)值模擬，與試驗結(jié)果的比較表明，模型能夠很好地描述塑性變形的影響。
　　4、初步發(fā)展了NiTiNb形狀記憶合金細(xì)觀本構(gòu)模型：以考慮塑性的馬氏體相和奧氏體相本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，首先利用voigt假設(shè)建立了形狀記憶合金兩相本構(gòu)模型，以此作為NiTi基體相的本構(gòu)模型，同時將Nb相考慮成彌散分布在基體上的球形夾雜，利用Mori-Tanaka方法，初步發(fā)展了NiTiNb形狀記憶合金細(xì)觀本構(gòu)