考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型

近年来在形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）中发现的由于不完全马氏体逆相变引起的温度记忆效应,在智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值,建立克服现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应这一局限性的SMA本构模型具有理论和工程实际意义．本文在前期研究的基础上,基于作者提出的形状记忆因子的概念,综合运用热力学、连续介质力学和马氏体相变学的相关理论,建立了描述SMA的形状记忆因子、应力、温度间关系的形状记忆方程和描述SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．由形状记忆方程和力学本构方程构成的SMA本构模型,克服了现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应的局限性．数值结果表明,该SMA本构模型能有效描述经历不完全马氏体逆相变的SMA的热力学行为,可为SMA温度记忆效应的应用研究提供理论基础．     

形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

建立有效描述形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）的热力学行为、且便于工程应用的宏观力学本构模型具有理论和工程意义.在前期研究的基础上,应用固体力学和热黏弹性理论建立了描述复杂应力状态下SMP在实现形状记忆效应热力学过程中,即在高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程中热力学行为的宏观力学三维本构方程.利用DMA实验结果,建立了描述SMP在玻璃体转化过程中,材料参数和温度间关系的材料参数方程.应用所建立的力学本构方程和材料参数方程,数值模拟了SMP的高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程,并分析了加载率和温度变化率对SMP热力学行为的影响.数值模拟结果和与现存SMP力学本构方程和材料参数方程的对比表明,本文建立的由力学本构方程和材料参数方程构成的SMP宏观力学三维本构模型,能有效地描述SMP的热力学行为,可为SMP的工程应用提供理论基础.     

形状记忆合金本构模型的热力学框架

基于形状记忆合金(SMAs)在相交过程中的热力学势和能量耗散来建立形状记忆合金的本构模型框架，通过采用不同独立变量(应力、应变、温度和熵)的组合来选择不同的能量函数(内能、Helmhohz自由能、Gibbs自由能和焓)，用内状态变量考虑相交过程中的能量耗散，则SMAs的本构模型完全可以由热力学势及能量耗散函数来建立，实例表明其可行性.     

超弹性形状记忆合金简化多维本构模型

建立简单有效的多维本构模型是形状记忆合金(SMA)工程应用的关键问题之一.在NiTi形状记忆合金丝拉伸实验的基础上,根据Brison模型的相变动力学方程,得出了相变应力与加载条件的关系. 借助线性化方法,建立了SMA超弹性简化一维本构模型;基于塑性理论,将马氏体体积分数作为状态变量之一,推导了SMA超弹性简化多维本构模型,应用该模型对超弹性SMA进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.分析结果表明:理论模型曲线与实验曲线接近,理论模型能够较为准确地模拟形状记忆合金的屈服机制和耗能能力.该本构模型可以用于模拟复杂荷载条件下的SMA超弹性特性.     

两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型

采用热力学方法推导了磁控形状记忆合金在两轴向磁场作用下的力学本构模型,考虑了马氏体变体再取向的驱动力和阻力的平衡状态,建立了马氏体变体再取向的动力学方程。该模型用于分析NiMnGa单晶试样在双向磁场作用下的非线性力学行为和滞后效应,结果表明模型的预测数据和实验结果吻合性较好,从而说明模型是可行的。     

混凝土宏观损伤本构研究进展

损伤本构关系的研究是混凝土力学性能研究的重要内容,从损伤本构关系确立的过程入手,给出了损伤变量的选取、损伤变量的演化规律及损伤模型的确立三方面内容。主要针对弹性、弹塑性本构模型分类进行阐述,对比各损伤本构模型的不同和优劣,总结了混凝土宏观损伤本构的研究进展,为混凝土宏观损伤本构关系研究提供思路。     

形状记忆合金的一种基于热力学定律的本构模型

在Tanaka本构理论、Liang-Rogers本构理论以及Brinson本构理论的基础上,应用热力学定律,结合差示扫描量热仪(DSC)的实验数据,经理论推导给出了一种描述形状记忆合金相变过程中应力、应变、温度以及马氏体体积分数相互耦合的唯像本构模型,并在形状记忆合金的几种典型的物理状态下和经典的理论模型进行了对比性研究.结果表明,所提出的基于热力学定律的本构模型和经典的Liang-Rogers理论保持了较好的一致性.     

形状记忆合金力学特性的细观力学分析

在形状记忆合金的本构模型中,有效复合模量是很重要的因素.工程计算中,一般采用经验公式,但缺乏深入的理论分析和实验数据支持.本文基于Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka方法,分析形状记忆合金的有效复合模量,推导了相应的计算公式,与文献中的经验公式比较,进行误差分析,并分析了不同的有效复合模量计算对形状记忆合金的应力-应变曲线的影响,从理论上论证经验公式的可行性,为形状记忆合金的设计和使用提供理论依据.     

形状记忆合金热力学非线性方程的求解方法

形状记忆合金是近期发展起来的新型功能材料，在土木工程中的应用尚处于起步阶段，该材料的热力学本构方程是一个非线性方程，变量之间相互循环嵌套，给方程的求解带来许多困难，为了使该方程能在工程实际中得以应用，文章提出了一种以马氏体百分数为切入点的求解方法，并进行了实例验算，研究表明该方法简单可行、运算速度快、计算准确，上有广阔的应用前景。     

复合岩石损伤本构方程与实验

大量沉积岩样的电镜与岩相微观研究表明,岩石是由含不同形态的晶体和孔隙构成,由此建立岩石微结构损伤模型。进而导出了各自损伤演化过程、力学参数、有效应力、不等围压等因素的多层复合岩石三维非线性损伤本构方程及损伤演化方程。实验结果表明,二者吻合良好。     

一种新的超弹性形状记忆合金本构模型

Graesser模型以应力-应变增率形式表述了形状记忆合金(SMA)本构关系,具有形式简单、能反映SMA动态力学特性的优点;但忽略了加载路径对模型参数的影响,造成预测误差.依据超弹性SMA的拉伸试验结果,在Graesser模型基础上提出了改进模型:将滞回曲线分为加荷阶段、卸荷至马氏体逆相变完成阶段、母相弹性卸荷阶段三部分,每部分采用各自的参数.数值模拟比较表明:改进模型能很好地捕捉超弹性SMA在静荷下的应力-应变特征,在一定程度上反映加荷速率对其滞回性的影响,且较Graesser模型具有更高的预测精度.     

CuZnAl形状记忆合金的拉伸曲线模型

采用电子万能拉伸试验机对CuZnAl形状记忆合金进行了拉伸试验．试验结果表明。拉伸曲线的骨架曲线与滞回曲线因为残余马氏体量不同而形状不同．由于马氏体开始转变温度的不同．CuZnAl形状记忆合金的骨架曲线模型与滞回曲线模型的参数稍有区别,因此,不同相变温度的CuZnAl形状记忆合金的模型需要作修正．另外,马氏体状态记忆合金的力学曲线模型为双线性模型．     

Phase transformation behaviors and shape memory effects of TiNiFeAl shape memory alloys

Measurements of electrical resistivity, X-ray diffraction, and tensile test at room temperature and -196℃ were performed to investigate the effects of Al addition substituting Ni on the phase transformation behaviors, the mechanical properties, and the shape memory effects of Ti₅₀Ni₄₇Fe₂Al₁ and Ti₅₀Ni_46.5Fe_2.5Al₁ alloys. It is found that 1at% Al addition dramatically decreases the martensitic start transformation temperature and expands the transformation temperature range of R-phase for TiNiFeAl alloys. The results of tensile test indicate that 1at% Al improves the yield strength of Ti₅₀Ni₄₇Fe₂Al₁ and Ti₅₀Ni_46.5Fe_2.5Al₁ alloys by 40% and 64%, but decreases the plasticity to 11% and 12% from 26% and 27% respectively. Moreover, excellent shape memory effect of 6.6% and 7.5% were found in Ti₅₀Ni₄₇Fe₂Al₁ and Ti₅₀Ni_46.5Fe_2.5Al₁ alloys, which results from the stress-induced martensite transformation from the R-phase.     

Martensite transformation, mechanical properties and shape memory effects of Ni-Mn-In-Mg shape memory alloys

The martensite transformation(MT), mechanical properties and shape memory effect(SME) of(Ni_(50)Mn_(35)In_(15))_((1-x))Mg_x(x = 0%, 0.08%, 0.3%, 0.6% at%) alloys were comprehensively investigated. The results showed that due to Mg doping the MT temperature shifted to higher temperatures and a worm-like secondphase precipitated at grain boundaries and inside the grains. With increasing Mg content, the amount of precipitates gradually increased, the thermal hysteresis was almost invariant, and the SME was not obviously affected at 3% pre-strain, even when the volume of the second phase reached up to 28.75%. Compressive stress and strain experiments showed that both the strain and strength of the Ni-Mn-In-Mg alloys were improved substantially(by 46.9% and 53.4%, respectively, at x = 0.6%) compared with those of the pure Ni_(50)Mn_(35)In_(15) alloy; this effect is nearly the same as that achieved by the directional solidification method. Because Mg is nonmagnetic, the magnetization difference of the alloy with Mg doping is much lower than that of the alloy without Mg doping. Overall, the results confirm that adding a small amount of Mg is a potentially viable method for improving the mechanical properties of Ni-Mn-In alloys without adversely damaging their functional properties.     

CuZnAl形状记忆合金超弹性的研究

研究了不同热处理工艺、晶粒束缚以及工作温度、应力循环、热循环和应力热循 环对 ＣｕＺｎＡｌ合金超弹性的影响。试验结果表明：合金常规淬火获得最佳超弹性的 淬火加热温度为８９０℃，对于所研究的线材试样而言，保温时间与线材直径有关；合 金采用双相区淬火，可获得较好的超弹性，其最佳淬火加热温度为７００℃，保温时间 为１０ｍｉｎ；晶粒束缚影响合金的超弹性，ｇｓ／Ｄ越大，晶粒束缚越小，超弹性越好； 合金的超弹性与工作温度有关，超弹性最佳值是在Ａｆ点以上一段温度范围内．其下限 温度为Ａｆ点以上１７～２２℃。合金在应力循环后出现了循环软化现象而不是循环硬 化现象，应力循环后，相变的熵及焓变降低；热循环和应力热循环均使合金的相变点 提高。     

TiNi形状记忆合金回复力模型

通过修正Clausius Clapeyron方程 ,使之在马氏体分数不断变化的条件下仍然适用 ,并在此基础上建立了TiNi形状记忆合金的回复力模型 ,模型中的参数均可通过实验确定 .利用此模型 ,使用典型的TiNi形状记忆合金性能参数 ,计算得到了TiNi形状记忆合金回复力与温度的关系曲线 ;与实验测试曲线的对比表明 ,本模型在大的预应变条件下与实验结果是吻合的