加载路径和温度对NiTi合金相变特性的影响

利用MTS装置,对NiTi形状记忆合金在不同加载路径(拉、压、扭以及拉/压-扭比例加载)和不同温度(28~150℃)下的准静态相变行为进行了较系统的实验研究。结果表明,材料呈现明显的伪弹性效应和拉压不对称性。随着温度的升高,相变起始应力逐渐增大,伪弹性效应和拉压不对称性逐渐减弱。当温度达到一定阈值时,拉压不对称性消失,材料基本呈现弹塑性状态。通过实验曲线确定了NiTi合金的相变临界参数,在σ-τ应力空间中对三种常用宏观相变临界准则进行了讨论,比较了它们各自的适用性。     

预加载路径对低碳钢强化规律的影响

本文报导了２０＾＃低碳钢薄壁圆管试件在比例加载时Ｐ－ｐ复杂应力状态的实验结果。主要研究了：（１）初始屈服面；（２）经简单拉伸预加载和比例预加载情况下的强化规律；（３）折线预加载情况下的强化规律；（４）预施塑性变形量相等路径不同时的强化规律。     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

一种基于物理机制的后继屈服面演化模型

考虑滑移为晶体塑性的主要变形机制,推广单晶滑移理论至多晶体,建立滑移构元模型,研究了后继屈服面的移动、变形等演化规律。基于滑移构元的包氏效应和潜在硬化的影响,后继屈服面的尾部缩进,变得较“平坦”,而前端突出,形成“高曲率区域”。为了验证模型的有效性,本文分别预测了单轴拉伸、纯扭转和拉—扭组合比例/非比例加载下的后继屈服面演化过程,与已有实验结果符合一致。关键词:滑移构元模型,后继屈服面,包氏效应,潜在硬化,非比例加载      

纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应，详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化，进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明，NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向，卸载后存在残余应变；当加热到奥氏体转变结束温度以上时，马氏体逆相变为奥氏体相，残余应变逐渐减小，但未完全回复；随着应力加载速率的增加，重定向临界应力和模量逐渐增加；再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。     

一个非比例循环粘塑性本构模型

本文提出地一个考虑材料非比例循环附加强效应，非比例循环加载历史产应和应变幅值历史效应的粘塑性体构模型。在该模型中，引入了对加载过程非常弹性应变幅值的记忆变量ｑ；定义了新的非比例度；引入了考虑材料非比例度的循环饱和各向同性变形阻力参量Ｑｓ；对各向同性变开引入了具有先前加载历史记忆的演化方程，将本文模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢高温循环变形行为描述，其预言结果与实验结果吻合得很好，表明该模型能很好     

铁电陶瓷PZT53多轴力电耦合下的屈服行为

研究了不同拉-扭与压-扭比例载荷和电场耦合作用下铁电陶瓷PZT53的屈服行为。通过自己设计的力电加载装置,结合材料试验机和电压放大器对PZT53在多轴力电耦合载荷作用下应力-应变行为进行测量,结合陈和卢的理论,得出了极化和未极化的PZT53陶瓷在多轴力载荷下的初始屈服面和破坏面。结果表明初始屈服面类似于Drucker-Prager屈服面,本文提出了一个屈服准则,较好的符合实验结果。实验发现PZT53陶瓷破坏行为符合最大拉应力破坏准则。对于极化的PZT53陶瓷,还研究了偏置电场对应力-应变行为的影响,结果表明偏置电场大于0．6kV／mm时,PZT53陶瓷的屈服现象消失。本文工作为发展铁电陶瓷PZT53的多轴力电耦合唯象本构模型提供了实验基础。     

非等温条件下非比例循环粘塑性本构描述

为了描述在非等温非比例循环加载下的循环变形行为，本文提出了一个考虑材料非比例循环附加硬化效应、非比例循环加载历史效应和温度历史效应的粘塑性本构模型．在该模型中，引入了具有三种不同演化速率的背应力演化方程；定义了新的非比例度；为了反映非比例循环历史和温度历史的影响，引入了表现各向同性变形阻力Ｑａｓｍ，并对各向同性的表现变形阻力引入了具有先前加载历史记忆的演化方程．将本文模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢高温循环变形行为描述，其预言结果与实验结果吻合得很好．     

基于 Hopkinson 压杆的动态压剪复合加载实验研究

本文提出了一种可用于研究压剪复合加载下，材料动态力学性能的实验装置；该装置主要是基于 Hopkinson 压杆，通过添加一个带倾斜端面的垫块，实现压剪复合加载。本文分析了该实验装置的基本数据处理方法，并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性；然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度，不同倾斜角度（分别为 0、30、45 度）下的一系列实验。实验结果表明，该装置能实现压剪复合加载，并且能得到材料的动态屈服面，为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法。     

FeMnNi合金冲击加卸载历程研究

采用激光速度干涉仪(VISAR),应用逆向加载实验装置FeMnNi飞片/蓝宝石窗口和FeMnNi飞片/LiF缓冲层/LiF窗口,分别对低相变阈值金属FeMnNi合金含相变的低压和高压冲击加卸载历程进行实验研究。参阅文献[3,4]分析了实验结果。在低压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时存在逆相变ε→α及逆相变引发的卸载稀疏冲击波;在高压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时可能存在逆相变ε→γ和γ→ε行为及逆相变引发的卸载稀疏冲击波。     

钛镍形状记忆合金冲击变形后形状记忆效应的研究

采用SHPB技术和可控速率循环加温条件下变形恢复量测定装置研究了冲击及静载变形后的TiNi形状记忆合金的单程及双程形状记忆特性。发现马氏体状态下的TiNi合金的力学特性显示出明显的应变率强化效应 ,并且高应变率压缩应力应变曲线呈现流动平台。应变率对形状记忆效应的影响具有双重性 ,当外加应力或残余应变较小 ,可逆非弹性变形机制起主导作用时 ,提高应变率可以增加其单程形状记忆效应 ;而随外加应力或残余应变增大 ,当基于位错机制的不可逆非弹性变形机制起主导作用时 ,应变率提高却抑制了其单程形状记忆效应。应变率对TiNi合金双程形状记忆效应的影响视塑性变形的大小而异 ,高应变率动载后的双程形状记忆效应在较小塑性应变时 ,比静载后的要强 ;但在较大塑性应变时两者差别不大。     

应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s?1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。     

ADVANCES IN TRANSFORMATION RATCHETING AND RATCHETING-FATIGUE INTERACTION OF NITI SHAPE MEMORY ALLOY

The accumulation of inelastic deformation occurring in NiTi shape memory alloy under the stress-controlled cyclic loading condition is named transformation ratcheting, since it is mainly caused by the solid-solid transformation from austenite to martensite phase and vice versa. The transformation ratcheting and its effect on the fatigue life (i.e., transformation-fatigue interaction) are key issues that should be addressed in order to assess the fatigue of NiTi shape memory alloy more accurately. In this paper, the advances in the studies on the transformation ratcheting and ratcheting-fatigue interaction of super-elastic NiTi shape memory alloy in recent years are reviewed: First, experimental observation of the uniaxial transformation ratcheting and ratcheting-fatigue interaction of super-elastic NiTi alloy under the stress-controlled cyclic loading conditions is treated, and the detrimental effect of transformation ratcheting on the fatigue life is addressed; Secondly, two types of cyclic constitutive models (i.e., a macroscopic phenomenological model and a micromechanical one based on crystal plasticity) constructed to describe the transformation ratcheting of super-elastic NiTi alloy are discussed; Furthermore, an energy-based failure model is provided and dealt with by comparing its predicted fatigue lives with experimental ones; Finally, some suggestions about future work are made.     

Study on the rate-dependent cyclic deformation of super-elastic NiTi shape memory alloy based on a new crystal plasticity constitutive model

In this paper, a crystal plasticity based constitutive model (Yu et al., 2013) is extended to describe the rate-dependent cyclic deformation of super-elastic NiTi shape memory alloy by considering the internal heat production. Two sources of internal heat productions are included in the proposed model, i.e., the mechanical dissipations of inelastic deformation and the transformation latent heat in the NiTi shape memory alloy. With an assumption of uniform temperature field in the alloy specimen, a simplified evolution law of temperature field is obtained by the first law of thermodynamics and the heat boundary conditions. An explicit scale-transition rule is adopted to extend the proposed single crystal model to the polycrystalline version. The capability of the extended polycrystalline model to describe the rate-dependent cyclic deformation of super-elastic NiTi shape memory alloy is verified by comparing the predictions with the corresponding experimental ones. The comparison demonstrates that the proposed constitutive model considering the internal heat production predicts the rate-dependent cyclic deformation of super-elastic NiTi shape memory alloy fairly well.     

纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应,详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化,进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明,NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向,卸载后存在残余应变;当加热到奥氏体转变结束温度以上时,马氏体逆相变为奥氏体相,残余应变逐渐减小,但未完全回复;随着应力加载速率的增加,重定向临界应力和模量逐渐增加;再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。     

A CONSTITUTIVE MODEL FOR TRANSFORMATION, REORIENTATION AND PLASTIC DEFORMATION OF SHAPE MEMORY ALLOYS

A constitutive model is developed for the transformation, reorientation and plastic deformation of shape memory alloys (SMAs). It is based on the concept that an SMA is a mixture composed of austenite and martensite, the volume fraction of each phase is transformable with the change of applied thermal-mechanical loading, and the constitutive behavior of the SMA is the combination of the individual behavior of its two phases. The deformation of the martensite is separated into elastic, thermal, reorientation and plastic parts, and that of the austenite is separated into elastic, thermal and plastic parts. Making use of the Tanaka’s transformation rule modified by taking into account the effect of plastic deformation, the constitutive model of the SMA is obtained. The ferroelasticity, pseudoelasticity and shape memory effect of SMA Au-47.5 at.%Cd, and the pseudoelasticity and shape memory effect as well as plastic deformation and its effect of an NiTi SMA, are analyzed and compared with experimental results.     

梯度纳米晶NiTi形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应相场模拟

通过建立考虑两个马氏体变体的二维相场模型,对梯度纳米晶镍钛(NiTi)合金系统的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆过程进行了模拟和预测.模拟结果显示: 在梯度纳米晶NiTi合金的超弹性过程中,较粗晶粒的区域保留了传统粗晶的马氏体相变和逆相变特征,即局部马氏体带的形核-扩展和缩减-消失, 而随着晶粒尺寸的减小,细晶粒区域表现为均匀相变的特点, 即无局部马氏体带产生; 此外,在超弹性和形状记忆过程中,马氏体相变和重取向都首先在较粗晶粒区域开始并逐步向细晶粒区域传播,而逆相变则相反.马氏体相变和重取向的逐步扩展使梯度纳米晶NiTi合金的应力-应变和应变-温度曲线呈现出“硬化状”,其可归因于纳米多晶NiTi合金中马氏体相变对晶粒尺寸的依赖性,即随着晶粒尺寸的减小, 相变或重取向壁垒逐渐增大,马氏体相变或重取向的形核、扩展越来越困难. 可见,梯度纳米晶结构具有比传统均匀晶粒尺寸NiTi合金更宽的相变应力区间、重取向应力区间和相变温度区间,可显著提高该合金非弹性变形的可控性.      

一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.