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...     

基于相场模拟的应力辅助时效的NiTi形状记忆合金功能性能研究

通过改进的耦合沉淀相析出和马氏体相变的相场模型模拟了应力辅助时效的NiTi单晶的超弹性、弹卡效应、单程形状记忆效应和应力辅助双程形状记忆效应, 讨论了单一取向Ni₄Ti₃沉淀相对功能性能的影响以及背后的微观机理. 模拟结果显示, 由于单一取向Ni₄Ti₃沉淀相的强几何约束, 超弹性过程和应力辅助双程形状记忆过程中的马氏体相变并不以马氏体条带快速扩宽的方式进行, 而是以大量针状马氏体的形核与生长来实现, 马氏体逆相变则以大量针状马氏体的缩减和消失来实现. 含单一取向Ni₄Ti₃沉淀相的单晶系统具有优良的弹卡效应. 对于单程形状记忆效应, 含单一取向Ni₄Ti₃沉淀相的单晶系统在温度诱发马氏体相变过程中形成的孪晶面均与沉淀相惯习面平行, 单一取向和两种取向的Ni₄Ti₃沉淀相对马氏体重取向的约束不同, 对温度诱发马氏体逆相变的约束也不同, 导致二者对应的应力-应变-温度曲线的差异. 文章将为理解Ni₄Ti₃沉淀相对NiTi合金功能性能的影响提供见解, 并为调控合金的马氏体相变、功能和力学性能提供参考.

     

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.     

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.     

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。     

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...     

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。     

SUPER-ELASTIC CONSTITUTIVE MODEL CONSIDERING PLASTICITY AND ITS FINITE ELEMENT IMPLEMENTATION

Based on the experimental results of super-elastic NiTi alloy, a three-dimensional super-elastic constitutive model including both of stress-induced martensite transformation and plasticity is constructed in a framework of general inelasticity. In the proposed model, transformation hardening, reverse transformation of stress-induced martensite, elastic mismatch between the austenite and martensite phases, and temperature-dependence of transformation stress and elastic modulus of each phase are considered. The plastic yielding of martensite occurred under high stress is addressed by a bilinear isotropic hardening rule. Drucker-Prager-typed transformation surfaces are employed to describe the asymmetric behavior of NiTi alloy in tension and compression. The prediction capability of the proposed model is verified by comparing the simulated results with the correspondent experimental ones. Based on backward Euler＇s integration, a new expression of consistent tangent modulus is derived. The proposed model is then implemented into a finite element package ABAQUS by user-subroutine UMAT. Finally, the validity of such implementation was verified by some numerical samples.     

Constitutive model for uniaxial transformation ratchetting of super-elastic NiTi shape memory alloy at room temperature

The transformation ratchetting of super-elastic NiTi shape memory alloy was observed by the uniaxial stress-controlled cyclic tests [Kang, G.Z., Kan, Q.H., Qian, L.M., Liu, Y.J, 2009a. Ratchetting deformation of super-elastic and shape memory NiTi Alloys. Mech. Mater. 41, 139–153]. It is concluded that the NiTi alloy presents apparent ratchetting behaviour, and the ratchetting is collectively caused by the cyclic accumulation of residual induced-martensite and the transformation-induced plastic deformation (i.e., namely transformation ratchetting). Based on the experimental results, a cyclic constitutive model was constructed in the framework of generalized plasticity [Lubliner, J., Auricchio, F., 1996. Generalized plasticity and shape memory alloys. Int. J. Solids Struct. 33, 991–1003] to describe the transformation ratchetting of super-elastic NiTi alloy. The proposed model simultaneously accounts for the evolutions of residual induced-martensite and transformation-induced plastic strain during the stress-controlled cyclic loading by introducing an internal variable z_c, i.e., cumulated induced-martensite volume fraction. The dependence of transformation ratchetting on the applied stress levels and the phase transformation hardening behaviour of the NiTi alloy are also considered in the developed model. The anisotropic phase transformation behaviours of the alloy presented in the tension and compression cases are described by employing a Drucker–Prager-typed transformation surface. It is shown that the simulated results of transformation ratchetting obtained by the proposed model are in good agreement with the corresponding experiments, since the typical features of transformation ratchetting are reasonably captured by the proposed model.     

相变温度对NiTi形状记忆合金耐磨性的影响

利用WMW-1型摩擦磨损试验机研究了在相同条件下相变温度对6种NiTi形状记忆合金耐磨性的影响,并分析其磨损机制.结果表明:超弹状态NiTi合金具有热弹性马氏体相变、高阻尼效应、应力诱发马氏体和超弹性等特性而使得其耐磨性较好,合金的耐磨性主要取决于相变温度、Ni原子的析出情况和合金硬度.     

应力引起的镍钛单晶形状记忆合金相变的实验研究

在单晶形状记忆合金试样中,由于没有晶粒之间的约束,它的马氏体相界面移动比多晶容易,用实验方法研究其相变的特点,对建立新的理论模型有意义,因而对它的实验分析显得重要。本文利用高分辨率的CCD系统监测到NiTi单晶形状记忆合金在拉伸时的相变伪弹性的过程;利用X射线衍射法得到了NiTi单晶试样在拉伸方向的晶向;运用高分辨率的云纹干涉技术,获得了应力引起的NiTi单晶形状记忆合金相变时的变形场;利用高分辨率、高灵敏度的红外相机记录了NiTi单晶在拉伸状态下的温度变化规律;对低温下NiTi单晶的拉伸性能做了初步的研究,得到一些有意义的现象。     

应变幅值对循环载荷下NiTi合金力学性质的影响

实验研究了应变幅值对循环载荷下NiTi合金伪弹性退化特征的影响规律,结果表明:当卸载发生在NiTi合金应力诱发马氏体相变阶段时,应变幅值对马氏体相变开始应力的退化规律影响较小,但此时应变幅值的增加会显著增大奥氏体弹性模量的退化程度,而其大变形可回复能力和阻尼特性在应变幅值大于6%时才有大幅度降低。对各参数退化程度进行定量分析,得到了NiTi合金具有较强可回复能力和阻尼性能的应变幅值范围。该研究可为NiTi合金阻尼器的设计提供参考。     

多孔NiTi形状记忆合金的力学性能的实验研究

本文介绍了NiTi形状记忆合金的应用前景,利用MTS材料试验机研究经过热处理的多孔NiTi合金在压缩时的应力一应变曲线,结果表明,在一定的热处理后,多孔NiTi合金具有形状记忆效应,同样利用差热分析仪也证明了这一特性,因此,这种合金在一定程度上满足生物医用材料的医学使用条件。     

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景. 然而, 该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动, 对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战. 文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞, 揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响. 结果表明, 孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时, 有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量. 薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数, 孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场, 而对整体的热-力响应影响较小. 进一步地, 基于应力对数客观率, 在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型, 并完成了模型的有限元移植. 通过与实验结果的对比发现, 提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响, 从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.

     

梯度晶粒结构材料拉伸断裂行为的晶体塑性有限元模拟

NiTi合金因其独特的形状记忆特性和超弹性而备受关注, 被广泛认为是功能材料领域中最具研究潜力和发展前景的材料之一. 梯度晶粒结构作为一种有效提升材料强度与延展性的方法, 通过在材料内部实现晶粒尺寸的梯度分布, 能够进一步提升NiTi合金的性能. 文章通过考虑晶粒尺寸效应的晶体塑性理论模型和cohesive单元, 并根据晶粒分布函构建了梯度有限元模型, 模拟了匀晶和梯度多晶NiTi在单轴和紧凑拉伸断裂过程中的力学行为, 讨论了晶粒尺寸、取向、不同应变速率和不同梯度结构对多晶NiTi的强度与延展性的影响特征, 并分析其宏-微观力学规律. 研究结果表明, 晶粒尺寸对NiTi多晶材料的断裂行为有显著影响: 晶粒尺寸越小, 多晶体抵抗裂纹萌生的能力越强, 晶粒尺寸越大, 多晶体阻碍裂纹扩展的能力越强; NiTi多晶的断裂行为呈现出明显的取向相关性, 其中{110}织构在3种典型取向中展现出最佳的抗断裂性能; 高应变速率提升屈服强度但降低延展性, 低应变速率则展现均匀应力分布和优异塑性变形能力; 梯度多晶结构在NiTi合金材料的强度与延展性之间起到协调作用, 细晶结构分布在多晶体的两端, 能够承受较高的应力并有效抑制裂纹的产生, 粗晶结构则分布于多晶体的中间, 通过提供曲折的晶界形态来阻碍裂纹的扩展.

     

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.