Study on cyclic deformation and fatigue of thermal and magnetic shape memory alloys

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.     

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.      

NiTi 形状记忆合金热-力耦合循环变形行为宏微观实验和理论研究进展

本文对NiTi形状记忆合金热-力耦合循环变形行为研究的最新进展进行综述和评价。首先总结NiTi形状记忆合金在循环加载条件下的单轴、非比例多轴循环变形特性以及强烈的热-力耦合特性,阐述NiTi形状记忆合金在循环变形过程中出现功能性劣化的微观机理;然后,讨论在宏观和细观尺度上建立的三类NiTi形状记忆合金典型的循环本构模型,并评述代表性模型的预测能力;最后,总结已有研究存在的不足,对相关问题的进一步研究提出建议。在本构模型方面主要介绍了作者及其合作者在基于晶体塑性的热-力耦合循环本构模型方面的工作,突出了多种非弹性变形机制和强烈热-力耦合行为对形状记忆合金循环变形行为的影响。     

基于LabVIEW平台的形状记忆合金温度循环加载控制装置研究

本文根据NiTi形状记忆合金热-力耦合循环变形实验的要求,针对传统加热方法变温速度慢、温度变化非线性、加热不均匀,且无法与其他装置配合使用等缺点,提出了一种新型形状记忆合金温度循环加载控制装置。该装置基于电流加热方法,使用测温仪表进行测温,采用直流电源与降温组件进行变温,同时利用PID等控制方法进行控制,达到精准控温的效果。通过测试及实验,可以看出,该装置具有良好的控温性能、快速的变温速度、自动的程序控制等优点。本装置的成功开发为形状记忆合金热-力耦合循环变形和疲劳失效行为的实验研究提供了坚实的设备基础。     

电子封装钎料合金耦合损伤的多轴时相关低周疲劳失效研究

基于63Sn-37Pb钎料合金材料的多轴时相关循环变形行为及疲劳失效行为,提出了耦合损伤的多轴时相关理论模型及疲劳失效模型,模型引入了损伤演化方程,考虑了时相关效应及非比例路径效应,能较好地模拟材料在不同非比例加载路径下的循环变形行为及疲劳失效行为,较准确地预测多轴疲劳寿命.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说,近场动力学(peri-dynamics, PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法.概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热–力、湿–热–力、热–氧、热–力–氧、力–电、热–电、力–热–电、多孔介质的水–力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

电致失效力学

电致失效力学研究单调或交变电场载荷下由应力引起的失效行为,它包含了电致断裂、电致疲劳、电致迁移与电致损伤等新研究课题．本文概述了电致失效力学的领域与课题,并深入讨论了电致应变诱导断裂疲劳的机理及电迁移损伤的力电耦合过程．研究结果表明,电致失效力学可提供铁电陶瓷致动器和集成电路的若干关键设计参数．对铁电陶瓷多层共烧致动器,该分析提供其层厚、外加电场强度和交变电场循环周数．对集成电路内导线,该分析提供其允许电流密度和临界线长．      

铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.      

超磁致伸缩材料的擦除特性和同余特性实验研究

超磁致伸缩材料在力磁耦合作用下具有复杂的迟滞响应。Preisach模型可有效描述物理过程中的滞后现象,它具有两个重要特性,即擦除特性和同余特性。擦除特性是指输入局部极大值擦除了加载过程中小于该值的所有极大值,或输入局部极小值擦除了加载过程中大于该值的所有极小值,同时,与这些历史极值相应的加载历史也被擦除,不再影响之后的输出。同余特性是指输入极大值与极小值相同的所有闭合曲线一致。本文通过实验系统地研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的磁致伸缩曲线、磁滞回线和应力应变的迟滞行为,发现其在力磁耦合下的非线性滞后行为具有擦除特性和同余特性。这满足了Preisach模型描述滞后现象的两个基本要求,验证了利用Preisach模型描述超磁致伸缩材料迟滞行为的可行性,为超磁致伸缩材料的非线性理论和器件设计提供了依据。     

粘接–映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续–离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接–映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接–映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续–离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接–映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续–离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续–离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.     

Cu-Al-Be形状记忆合金湿磨粒磨损性能研究

采用销-盘式二体磨损试验研究了CuAlBe形状记忆合金的湿磨粒磨损行为．结果表明，CuAlBe形状记忆合金的磨损性能不完全取决于材料硬度，具有热弹性马氏体组织的A合金的抗磨性优于高硬度B合金．在湿磨粒磨损条件下，A合金具有β′1 β双相组织，在磨粒的交变应力作用下，由于β相应力诱发马氏体相变、β′1相马氏体变体择优取向并产生形状记忆效应，使应变弹性回复，并钝化裂纹尖端，使得A合金具有优良的抗磨粒磨损性能．     

超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为的理论研究

超磁致伸缩材料由于具有位移大、响应快、驱动简单等性能优势,在智能系统中具有广阔的应用前景。对于其力学行为的研究,在理论上涉及的关键科学问题是多场耦合问题的理论建模与定量模拟,而其应用需求则涉及对超磁致伸缩器件性能的定量预测及优化。目前超磁致伸缩材料在工业上最广泛的应用是作为换能器的核心制动元件,其磁学、力学行为与工况密切相关。应力、外磁场、环境温度都会改变材料的磁化强度和应变状态,在交变磁场作用下磁致伸缩棒截面上产生涡电流,该损耗使材料的磁化和应变曲线出现洄滞。针对这些问题已有很多学者[1]-[4]进行了研究,这些工作揭示了外部条件对超磁致伸缩材料磁学、力学性质的单向联合作用,如图1中虚线所示。然而对于超磁致伸缩材料力学行为的准确刻画还需要考虑更深层次的多物理场耦合关系（图1中实线所示）：由于超磁致伸缩材料被外场磁化而产生磁致应变的同时,被磁化的介质也可以充当一种源而改变其周围的磁场,改变的程度依赖于介质的变形,因此需要考虑介质对周围磁场的反作用;棒截面上的涡电流除了会带来磁滞损耗外还会产生大量的热,改变周围温度,进而因为热膨胀、热磁效应等改变超磁致伸缩棒的磁学、力学输出,所以涡电流的热效应也不可忽略;此外,超磁致伸缩棒在交变磁场下的振动响应使其应力状态发生改变,在建模时不能只考虑所施加的预应力,材料的实时应力状态必须加以考虑。图1中虚线和实线所指向的过程共同构筑了超磁致伸缩材料的多物理场耦合框架,综合考虑这些因素才能准确描述超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为。本文围绕上述内容逐步深入,针对这一在理论和应用上具有重要意义的问题,开展了理论建模和数值模拟研究。     

铁电陶瓷电致疲劳失效的研究进展

铁电陶瓷是具备力电转换功能的典型高技术材料.本文概述铁电陶瓷电致疲劳失效的研究进展.首先介绍电致疲劳的定义和特点,然后讨论电致疲劳失效在不同尺度下的表现行为,包括宏观尺度下裂纹的疲劳扩展;细观尺度下裂纹的萌生;微观尺度下点缺陷在循环电场下的积聚.随即阐述了铁电陶瓷在循环电场下缺陷汇聚的理论分析,运用微结构演化方法计算了单个孔洞随畴界的移动距离,推导了循环电场下铁电陶瓷内点缺陷浓度的演化方程,给出了点缺陷浓度与其汇聚程度之间的定量关系,从而提出了贯通不同尺度的铁电陶瓷电致疲劳失效机理.      

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

Nb3Sn高场复合超导体临界性能力学变形效应的多尺度模拟

A15型Nb₃Sn超导体是制造高场( > 10 T)超导磁体线圈的主要材料, 被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体装备制造领域. 力学变形诱导的Nb₃Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响. 鉴于Nb₃Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征, 不同尺度下变形与超导电性能耦合行为是相互关联的, 本文建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力电磁耦合本构模型, 提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb₃Sn复合超导体的多尺度模拟模型. 基于多晶体有限元方法, 对静水压加载条件下Nb₃Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb₃Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测, 预测结果与实验观测结果定性吻合. 该模型揭示了Nb₃Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理, 实现对高场超导体力、电、磁、热耦合行为的预测, 有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力、电、磁、热多尺度耦合行为的认识和描述能力, 为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑.      

考虑相变的近场动力学热?力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟

多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热?力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热?力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.      

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构，由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性，在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而，磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在，极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟，发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应，铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应，使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明，基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应，通过优化设计复合材料中不同组元的结构，可以实现拓扑磁结构的力学调控，从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其耦合损伤粘塑性本构模型

对调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用的实验结果进行了分析,揭示了材料在非对称应力循环下的全寿命棘轮变形特征和低周疲劳损伤演化特性.在统一粘塑性循环本构模型框架下,基于连续损伤力学理论,提出一个耦合损伤的牯塑性本构模型.该模型中将损伤分为宏观弹性损伤和塑性损伤两部分,并采用不同的损伤演化方程来描述这两类损伤.针对材料不同的失效模式,分别采用损伤变量门槛值和最大应变作为失效判据.将模型应用于调质42CrMo钢单轴应力循环下全寿命棘轮行为的描述和低周疲劳寿命预测中,模拟结果和实验结果吻合较好.     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。