纳米多晶NiTi形状记忆合金超弹性的晶粒取向依赖性相场研究

论文基于Ginzburg-Landau理论,建立了一个反映纳米多晶NiTi形状记忆合金取向依赖性的二维多晶相场模型,研究了晶粒取向对其超弹性性能的影响.结果 表明,纳米多晶NiTi形状记忆合金的超弹性行为依赖于晶粒取向分布,即:多晶模型中在所研究的参数变化范围内,晶粒取向分布范围越广、晶粒间取向差越大(无明显织构),超...     

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（0.000 5～15 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。     

超弹性形状记忆合金管单向拉伸试验的数值模拟

NiTi形状记忆合金具有很强的超弹性行为,这种超弹性行为是由于材料在应力作用下发生可逆的马氏体相变所引起。最近Sun和Lee^[4]在NiTi形状记忆合金管单向拉伸试验中观测到,应力诱导马氏体相变具有螺旋带状的形貌特征,本文对此作了数值模拟研究。采用包含应变软化效应的三线性本构关系,建立了NiTi形状记忆合金管的三维有限元模型。通过迭代计算,成功地再现了试验中所观察到的螺旋状相变带从形成到长大的全过程。数值计算结果表明,产生这一独特现象的力学机制,在于NiTi形状记忆合金管在拉伸状态下出现的局部变形失稳极其传播。     

热处理对NiTi形状记忆合金冲蚀磨损性能的影响

采用自制浆罐式砂水冲蚀磨损试验装置研究了4种经不同条件热处理的NiTi合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的冲蚀磨损性能;采用XL-30型扫描电子显微镜观察试样的冲蚀磨损表面形貌;采用MH-6型显微硬度计测量NiTi合金硬度;采用自制拉伸装置测量NiTi合金的力学性能.结果表明:5种试样的冲蚀磨损量随着冲蚀时间、冲蚀速度、砂水比及砂粒度的增加而增大,4种NiTi合金的耐冲蚀性能相近,均明显优于1Cr18Ni9Ti不锈钢,其中试样NiTi-3和NiTi-1表现出较好的耐冲蚀性能;硬度并非NiTi合金冲蚀磨损性能的决定因素,超弹性和超塑性是NiTi合金具有较好耐冲蚀性的主要原因,热处理使得NiTi合金的超弹性变形量减小,但增加了NiTi合金的塑性变形量;合金丝磨损表面不同部位的磨损机理不同,中部为典型的变形磨损,侧面为微切削磨损,5种试样均表现为典型的韧性材料冲蚀磨损特征.     

纳米孪晶和梯度纳米结构金属强韧特性研究进展

金属材料在航空、航天工业以及民用工业等领域具有广泛的应用,如何获取同时具备高强度和良好塑性的金属材料一直是材料、物理、力学等不同学科长期以来亟待解决的难题.传统的强化方法包括应变强化、固溶强化、相变强化、晶粒细化强化和第二相弥散强化等,均会使材料的韧性或塑性降低.近年来,实验研究发现通过界面设计和微结构调控来可以制备出高强高韧的金属材料,认为位错与各类界面的相互作用、以及微结构优化对应力集中的削弱是材料强化和韧化的主要原因.根据已有实验观察,人们通过原子尺度方法定量分析高强高韧金属材料的变形机理,揭示其强化和韧化机制;同时,发展出基于变形机理的理论模型和有限元方法定量描述高强高韧金属的力学行为.论文将重点介绍纳米孪晶金属和梯度纳米结构金属的强韧特性研究进展,并对新型纳米结构金属材料的强韧特性优化进行展望.     

水蒸汽驱动高聚物形状记忆效应的力学模拟

部分形状记忆高聚物在相对湿度较高的环境中会从其临时形状恢复到永久形状,这种效应被称之为水蒸汽驱动形状记忆效应.由于不需要升高温度就可实现形状恢复,水蒸汽驱动的形状记忆效应在多个领域都有着潜在的应用价值.本文拟建立一个热-力-化学多场耦合的理论模型来模拟非晶态高聚物的水蒸汽驱动形状记忆行为.该理论模型采用自由体积的概念来模拟玻璃态转变,采用Fick定律来模拟水蒸汽在高聚物基体中的扩散行为.相关有限元模拟结果表明,该模型能定性地描述文献中观察到的恢复温度、相对湿度以及溶剂分子扩散速度对形状恢复行为的影响,也能模拟复杂变形条件下水蒸汽驱动的形状记忆效应.     

循环加载条件下TiNi形状记忆合金棒材的超弹性行为

通过TiNi形状记忆合金棒材在准静态循环加载条件下的力学性能实验,以相变应力、变形模量、残余应变、耗能能力等作为该合金棒材的超弹性特征参数,分析了这些特征参数随循环次数的变化规律。结果表明：循环初期,各参数的值随循环次数的增加显著降低,到一定次数（εmax=5%时,约10次;εmax=2%时,约15次）后,这些参数的值趋于稳定。即最初只具有部分超弹性的TiNi形状记忆合金棒材,经过一定次数的循环“训练”,可呈现出明显的完全超弹性,从而使得合金的力学性能趋于稳定。工程应用时,应考虑循环加载对合金超弹性能的影响,根据具体工况合理设计。     

超弹Ti—Ni合金的摩擦学特性研究

以淬火45#钢为对比材料,研究了2种不同组成的超弹Ti-Ni合金(Ti-56%Ni和Ti-55.8%Ni)在滑动干摩擦条件下同GCr15钢对摩时的摩擦学特性.结果表明:2种超弹Ti-Ni合金的耐磨性能优于淬火45#钢,其中Ti-56%Ni合金的耐磨性稍优于Ti-55.8%Ni合金;在0.84m/s滑动速度下,超弹Ti-Ni合金的磨损体积损失随载荷增大而增大;当载荷为44.5N时,随着滑动速度增加,磨损体积损失先降低,随后又缓慢上升;超弹Ti-Ni合金与GCr15轴承钢对摩时的摩擦系数比同45#钢对摩时的大,其中Ti-56%Ni的摩擦系数比Ti-55.8%Ni的稍大;摩擦过程中高硬度的GCr15钢材料发生向Ti-Ni合金表面的转移.     

水蒸汽驱动高聚物形状记忆效应的力学模拟

部分形状记忆高聚物在相对湿度较高的环境中会从其临时形状恢复到永久形状,这种效应被称之为水蒸汽驱动形状记忆效应。由于不需要升高温度就可实现形状恢复,水蒸汽驱动的形状记忆效应在多个领域都有着潜在的应用价值。本文拟建立一个热-力-化学多场耦合的理论模型来模拟非晶态高聚物的水蒸汽驱动形状记忆行为。该理论模型采用自由体积的概念来模拟玻璃态转变,采用Fick定律来模拟水蒸汽在高聚物基体中的扩散行为。相关有限元模拟结果表明,该模型能定性地描述文献中观察到的恢复温度、相对湿度以及溶剂分子扩散速度对形状恢复行为的影响,也能模拟复杂变形条件下水蒸汽驱动的形状记忆效应。     

NiTi合金伪弹性退化规律及尺度效应的试验研究

以NiTi合金在结构振动控制中的应用为背景,试验研究了加卸载循环次数和直径尺度对NiTi合金丝伪弹性特征的影响规律。研究结果表明,NiTi合金丝的残余应变随循环次数的增加呈指数关系增加,而其马氏体相变开始应力、奥氏体弹性模量、相变应变和等效阻尼比随循环次数的增加呈指数关系降低;随着直径尺度增加,循环加卸载后,NiTi合金丝的伪弹性退化程度显著增加。此外,残余应变与残余内应力、奥氏体弹性模量以及相变应变之间的线性关系揭示了NiTi合金伪弹性退化的内在机理。     

温度对高应变率扭-拉复合加载下形状记忆合金本构关系影响的研究

利用分离式扭-拉复合加载Hopkinson杆装置,在20℃和500℃下研究了温度对高应变率扭-拉复合加载下铁基形状记忆合金本构的影响.试验结果表明:该材料在高应变率扭-拉复合加载下的名义剪切屈服强度、剪切强度极限和名义拉伸屈服极限、拉伸强度极限均随温度的升高而降低.拉伸和扭转之间具有相互藕合作用.     

形状记忆合金作动器的设计及优化

采用Ｂｒｉｓｉｏｎ［１］等提出的ＳＭＡ材料的本构关系，分析了形状记忆合金作动器在三种热交换方式（自然冷却、强制冷却和采用半导体热泵技术）下的动力特性，同时研究了ＳＭＡ丝在恒载和载荷变化时对完成正逆相变所用时间的影响，并简单讨论了影响作动器响应的几个因素和改进方法     

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.     

SMA本构模型及其应用的研究进展

形状记忆合金(SMA)是一类应用前景广阔的智能材料系统, 其最基本的宏观响应特性是在不同温度和应力条件下的相变超弹性和形状记忆特性.近年来, 形状记忆合金本构模型发展迅速, 其在工程结构振动控制领域中的研究和应用也得到了广泛地关注.与此同时, 许多学者将SMA用于当前迅速发展的智能材料结构,发展了一系列SMA复合材料本构模型, 成为目前SMA的应用研究的热点.本文针对形状记忆合金本构模型的发展状况, 首先回顾了近年来常用的和新发展的SMA本构模型, 并根据其包含的力学特点和基本理论将其进行了比较归类, 分析了各类模型特点和适用范围;其次从微/宏观角度介绍了有广阔应用前景的SMA智能复合材料的本构模型的发展状况;接着简要的综述了几类较为实用的SMA本构模型在实现结构的主/被控制、变形控制及结构裂纹诊断与控制等方面的应用现状.最后对目前本构模型的发展趋势、工程应用问题提出了一些看法和展望.      

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。     

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．     

铜基多晶体形状记忆合金伪弹性的实验研究

首次用高灵敏度云纹干涉法对铜基多晶体形状记忆合金的伪弹性行为进行了实验研究，得到了单轴拉伸试件在不同加卸载阶段应力诱发的相变塑性全场分布。实验结果表明：一些晶粒内部的相变塑性几乎均匀分布，但不同晶粒之间的变形差异很大，各晶粒的伪弹性行为明显不同。     

形状记忆合金管接头空间轴对称有限元分析

本文采用形状记忆合金（ＳＭＡ）的三维本构方程和有限变形理论，考虑拉、压不同应力状态对相变点移动的规律，编制了ＳＭＡ轴对称大变形的有限元程序，与单向拉伸下解析所得的应力、应变曲线相比，证实程序的正确性．文末计算一ＳＭＡ管接头，并指出按空间轴对称计算的必要性．