形状记忆合金及其工程应用中的力学分析

本文对一种全新功能材料———形状记忆合金进行力学分析，综述其行为特点、本构关系以及在变形控制、振动控制和损伤监控中的应用，并简要介绍它在应用中存在的问题及改进方法     

形状记忆合金纤维复合材料的等效力学行为

在Aboudi提出的胞元模型以及Liu等建立的形状记忆合金的本构模型的基础上,由Legendre多项式,假设每个子胞元的位移场、应变场和应力场,再由子胞元间交界面的应力连续条件和外荷载边界条件推导出基体为弹塑性材料的形状记忆合金纤维复合材料的胞元模型;模拟了呈周期对称的形状记忆合金纤维复合材料受轴向单向拉伸、横向拉伸和横向剪切荷载作用下的等效力学行为,与有限元解进行了比较,结果基本一致。与有限元法比较起来,本文推导出的形状记忆合金纤维复合材料的胞元模型更具高效性。     

NiTi形状记忆合金动态压缩力学行为的实验研究

采用材料试验机和SHPB实验技术,对在不同初始温度(298～873K)和应变率(5×10-4、～2.3×103s-1)下的NiTi形状记忆合金的压缩力学行为进行了实验研究。结果表明:马氏体状态下的NiTi合金的力学行为对应变率的变化敏感,位错屈服段的硬化模量、相屈服段的硬化模量及马氏体重取向前的弹性模量对应变率的变化不敏感,而位错塑性变形前的弹性模量随应变率的提高迅速增大;奥氏体状态下的NiTi合金随着实验温度升高,无论是应力诱发马氏体相变应力还是奥氏体相屈服应力都逐渐下降,材料表现出温度软化效应。从超弹性温度范围内的卸载曲线中观察到了应力诱发马氏体到奥氏体的逆转变。     

形状记忆合金的本构模型及其有限元实施

基于塑性力学中屈服面的概率以及Liang和Brinson提出的马氏体体积百分量和应力,温度间的关系,提出了适用于描述多信形状记忆合金的形状记忆效应和伪弹性效应的本构模型,并用T．T．法对该本构模型进行了非线性有限元实施,算例表明该本构模型与实验结果比较吻合,且只需对现有非线性有限元程度稍做修改就可得到实施,简单易行,有一定的实用价值。     

形状记忆合金拟弹性行为的热力学描述

形状记忆合金是由马氏体和奥氏体组成并动态变化的两相材料 ,其拟弹性行为实质上是两相各自行为的动态组合。本文提出了形状记忆合金拟弹性行为的一种热力学描述。根据实验现象假设在感兴趣的温度和变形范围内 ,奥氏体相具有线弹性特性而马氏体相具有弹塑性特性 ,结合 Tanaka的相变描述 ,给出了小变形、初始各向同性和塑性不可压缩条件下形状记忆合金的三维本构方程。对不同温度下形状记忆合金材料的特性进行了描述 ,较好地预言了单调及循环加载下的响应和正、反相变行为及其温度影响 ,动态相变过程对应力响应的影响 ,高温相下的强度增加等。     

形状记忆合金的本构关系

本文主要介绍一种金新功能材料－形状记忆合金的本构关系的发展，简要介绍该材料的一些力学行为和工程中的应用。     

形状记忆合金热力学行为的模拟

基于塑性流动法则和马氏体相变动力学 ,引入马氏体体积分数和相变应力间的关系 ,对形状记忆合金的热力学行为进行了模拟 ,算例表明本文提出的形状记忆合金本构模型与实验结果比较吻合 ,且实施起来简单易行 ;最后还用该本构模型进行了有限元分析     

铁磁形状记忆合金双轴向力-磁耦合实验研究

对磁场和应力场共同作用下的单晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试与分析,分别获得了单晶Ni\-2MnGa试样在不同的压应力时、两个不同角度的磁场作用下的磁场-应变曲线。结果表明,当磁场垂直于应力时,磁场方向的磁致应变要远小于应力方向的磁致应变;当磁场平行于应力时,磁场方向的磁致应变要小于垂直于磁场方向的磁致应变,其磁致应变滞后环的面积远小于磁场垂直于应力时的滞后环面积。这为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

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

论文对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.     

形状记忆合金的多维本构关系

提出了一种具有变材料系数的适用于所有工的形状态记忆合金的多维热力学本构模型。这个本构关系是在ＢｒｉｎｓｏｎＬＣ一维本构模型的基础上推广得到的,将马氏体的体积百分数分成在力诱导的和由温度诱导的两部分。     

形状记忆合金相变塑性的统一本构理论

本文根据单品相变时其宏观(长程)切应变(等效应变)与外加切应力(等效应力)问的幂函数关系假定,建立了形状记忆合金多晶体相变塑性的统一细观本构理论,它推广了现有细观本构理论的结果,消除了现有理论中存在的当外加偏应力趋于零时自由能函数的不连续性和宏观塑性变形的不连续性。这一本构理论将能统一地描述在不同温度和载荷下记忆合金所呈现的各种行为。     

计及相变微结构演化的形状记忆合金本构描述

基于对NiTi形状记忆合金的实验观察及有限元分析,考虑两相间的应变不协调关系,采用应变修正法建立了计及片层状微结构的本构模型,本模型考虑了两相间的相互约束,及其约束随微结构演化的变化规律.研究了NiTi形状记忆合金微圆管在拉伸和扭转下的响应特性.计算结果与实验结果的对比表明所建本构模型较好地描述了伪弹性响应尤其是较好地描述了拉伸实验过程中的应力跌落现象.     

INFLUENCE OF MAGNETIZATION ROTATION ON MARTENSITE REORIENTATION IN MAGNETIC SHAPE MEMORY ALLOY

A large field-induced strain of magnetic shape memory alloy is developed by the martensite variant reorientation. It is widely recognized that the martensite reorientation in a magnetic shape memory alloy （MSMA） can develop if the magnetic field is large enough. However, it has been shown in the literature that the magnetization rotation may block variant reorientation via energy minimization approach. In this paper, based on a micromechanicat model associated with the thermodynamic theory, authors show that there are some limits for the martensite reorientation, which is hindered by the magnetization rotation. Some useful conclusions are obtained.     

形状记忆合金单晶细观本构关系的一种相变动力学模型及算法

形状记忆合金是由马氏体相和奥氏体相组成的非均质材料,热力载荷及相变不可避免地在材料中引起残余微应力场,它与外界驱动力的叠加可能导致低应力水平下发生马氏体相变或逆相变.论文假设马氏体相变及逆相变的驱动力是马氏体体积分数的连续函数,发展了形状记忆合金伪弹性的本构描述及相应的数值分析方法.分析表明,所发展的方法与理想相变模型间的误差远小于已有工作中引入的容许误差.对形状记忆合金单晶伪弹性响应的计算结果与试验结果或已有模型计算结果的比较表明所发展的方法具有较高的精度.此外,所发展的方法具有明晰的物理背景,且无需对每个变体的相变发生与否及其方向进行判断,简化了计算过程,提高了计算效率和收敛性.     

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.     

形状记忆合金的热力学本构方程

利用形状记忆因子,直观地描述了形状记忆合金(SMA)实现其超弹性与形状记忆效应的热力学宏观过程.根据热力学基本原理并假设SMA为各向同性材料,建立了描述复杂应力状态下SMA热力学行为的三维本构方程.该本构方程具有直观的表述形式且所含材料常数均可以通过宏观实验测定,克服了现存SMA三维本构方程由于表述形式复杂和材料参数不易测定等因素而不便于描述复杂应力状态下SMA热力学行为的局限性.该本构方程还克服了现存SMA三维本构方程不能描述含初始应力和初始应变SMA热力学行为的局限性.数值结果表明,该本构方程能有效地描述复杂应力状态下SMA在实现超弹性和形状记忆效应过程中的热力学行为,为SMA的工程实际应用提供了理论基础.     

超弹性NiTi合金丝动力特性试验及本构模型研究

形状记忆合金(SMA)是一种兼具感知和驱动功能的功能材料,因其独特的形状记忆效应、超弹性和高阻尼等特性,成为土木工程结构振动控制的理想材料.论文研究了超弹性NiTi丝的动力特性和应变率相关的本构模型.试验测试了NiTi丝在不同应变率下的力学性能,建立了应力增量与应变率的关系方程.在试验的基础上,提出了改进的SMA本构模型,新模型能够描述SMA应变率相关特性,并通过仿真结果和试验结果的比较,验证模型的正确性和适用性.研究结果表明:动力荷载下,NiTi丝每循环耗散能量、割线刚度和等效阻尼比在开始阶段均快速增大,当应变速率大于1.0×10-3/s后,趋于平缓;数值结果和试验结果吻合较好,改进模型在一定程度上可以描述NiTi丝应变率相关的动力特性.     

Ti—Ni形状记忆合金记忆疲劳寿命的研究

提出提高等原子比Ｔｉ Ｎｉ形状记忆合金记忆疲劳寿命的一种新工艺措施，并且通过实验，分析了记忆疲劳寿命提高的原因．