NiTi形狀記憶合金微-宏觀本構模型及其應用.pdf

1、NiTi形狀記憶合金以其獨特的形狀記憶效應、偽彈性以及良好的生物相容性而倍受關注,得到了大量的研究和廣泛的應用。由于形狀記憶合金使用環(huán)境非常復雜,不可避免地受到多軸載荷的作用,其破壞也常發(fā)生在多軸應力狀態(tài)。然而,已有研究大部分關注的是單軸載荷作用下的偽彈性特性,很少涉及到多軸載荷作用下的特性研究。與此同時,NiTi合金在拉伸和壓縮時的偽彈性特性明顯不同是由于發(fā)生相變的馬氏體變體不同,而多軸載荷作用下馬氏體變體的相變更加復雜。因此,很有必

2、要開展形狀記憶合金在多軸載荷作用下的實驗研究,并以馬氏體變體相變的特征建立能夠描述復雜熱力學載荷作用下的本構模型。這不僅可以豐富材料本構關系的研究成果,同時對形狀記憶合金的應用具有重要的指導作用。本研究主要內(nèi)容包括：
　　①在拉/壓-剪切應變平面上的若干路徑下對NiTi SMA微管的偽彈性特性進行了實驗研究。揭示了不同應力狀態(tài)下馬氏體相變的幾個主要特征:拉伸和壓縮載荷作用下偽彈性特性具有明顯的不對稱性;不同的雙軸加載路徑下,材料的

3、偽彈性特性具有很大差異,且拉伸和扭轉載荷的作用是相互耦合的。其實驗結果為建立描述復雜應力狀態(tài)下形狀記憶合金的本構模型奠定了基礎。
　?、谠贕all等人本構模型的基礎上,提出了一個考慮奧氏體和馬氏體不同彈性特性的微-宏觀本構模型。該模型以24個馬氏體變體的體積分數(shù)為內(nèi)變量,引入交互能矩陣描述馬氏體變體之間的相互作用,得到了單晶的本構模型,并采用有限元方法將具有不同取向的單晶集合起來從而獲得多晶的本構模型。對NiTi形狀記憶合金典型的

4、熱力學特性進行了描述,如拉壓不對稱性、應變率效應、溫度的影響以及多軸偽彈性特性。模擬結果表明:形狀記憶合金復雜的偽彈性特性與不同應力狀態(tài)下發(fā)生相變的馬氏體變體密切相關;材料的應變率效應主要是由于相變過程中相變潛熱引起的;隨著溫度的升高,正/逆相變臨界應力明顯升高。
　?、勰Ｐ椭羞M一步引入孿晶馬氏體體積分數(shù),基于修正的應力-溫度相圖,并假設馬氏體重取向和相變的機制相同,得到了一個能夠描述形狀記憶效應的本構模型。此外,根據(jù)雙程形狀記憶

5、效應的實驗結果,對模型中的相變應變幅值進行了修正,使該模型可以很好的描述不同應力水平下的雙程記憶效應。模擬結果表明模型能夠較好的描述形狀記憶合金在單軸和多軸載荷作用下的形狀記憶效應。證明了本文關于馬氏體去孿晶和相變的機制相同的假設。
　?、懿捎盟⒌谋緲嬆Ｐ蛯ρ苤Ъ苓M行了初步的特性研究,得到了NiTi支架在壓縮-自膨脹過程中的Mises等效應力和馬氏體的分布,以及徑向力和支架直徑之間的關系,對血管支架的設計與優(yōu)化具有重要的指導