不同加載方式下NiTi形狀記憶合金缺口-裂紋試樣力學(xué)行為的研究.pdf

1、本文通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，主要研究了NiTi形狀記憶合金在不同加載方式下缺口/裂紋試樣的力學(xué)行為，即缺口/裂紋前端的應(yīng)力-應(yīng)變，馬氏體相轉(zhuǎn)變隨外加載荷，試樣缺口幾何尺寸，應(yīng)力狀態(tài)，加載方式和加載歷史的演化規(guī)律。對NiTi合金CT缺口試樣的斷裂機(jī)理及取樣位向的影響也進(jìn)行了研究。得到的主要結(jié)論如下： (1)NiTi合金缺口試樣加載時(shí)，缺口尖端奧氏體向馬氏體(A→M)轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束時(shí)的載荷以及卸載時(shí)馬氏體向奧氏體(M→A)

2、逆轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束時(shí)的載荷，即四個(gè)特征載荷，均隨著缺口根半徑的增加而增大。在特征載荷下，缺口前端的最大正應(yīng)力σyy和等效應(yīng)變ε以及相應(yīng)于馬氏體相變的應(yīng)力平臺的長度均隨著缺口根半徑的增加而增大。缺口前端的馬氏體體積分?jǐn)?shù)隨著到缺口尖端距離的增加逐漸下降，在特征載荷下，隨著根半徑增加，馬氏體體積分?jǐn)?shù)增加，發(fā)生馬氏體相轉(zhuǎn)變的區(qū)域增大。在不同的特征載荷區(qū)間，應(yīng)力σyy具有不同的分布特征。 (2)在循環(huán)加載下，隨著外加載荷的增加，裂紋尖端的最

3、大正應(yīng)力、應(yīng)變和馬氏體體積分?jǐn)?shù)均增加，隨離開裂紋尖端距離的增加逐漸減小。當(dāng)載荷卸載到Pmin=0時(shí)，仍殘留有一些未轉(zhuǎn)變的馬氏體，類似于不能恢復(fù)的塑性區(qū)，在很靠近裂紋尖端形成壓應(yīng)力，隨離開裂尖距離的增加，壓應(yīng)力逐漸減小到零。隨循環(huán)次數(shù)N的增加，由于裂尖前累積的殘余馬氏體量越多，裂尖前的殘余壓應(yīng)力和應(yīng)變增加。裂紋尖端的正應(yīng)力σyy、應(yīng)變ε和馬氏體體積分?jǐn)?shù)f隨應(yīng)力場強(qiáng)度因子幅值△K和應(yīng)力比R的增大而增大。 (3)對于NiTi合金CT缺

4、口試樣，當(dāng)載荷達(dá)到最大值Pmax左右時(shí)，裂紋形成于缺口尖端的全馬氏體區(qū)中。裂紋剛開裂時(shí)，主要為準(zhǔn)解理和韌窩的混合斷口，裂紋以準(zhǔn)解理和微孔型延性斷裂相混合的方式穩(wěn)定擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展超過150～200μm左右后，主要為準(zhǔn)解理和解理的混合型斷裂，以解理型斷裂為主，裂紋擴(kuò)展速度較快，為失穩(wěn)擴(kuò)展。裂紋由穩(wěn)定擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)擴(kuò)展的原因是：隨裂紋擴(kuò)展長度增加，正應(yīng)力σyy和應(yīng)變ε增加。失穩(wěn)擴(kuò)展的裂紋釋放了彈性能，且載荷突然下降，裂尖前應(yīng)力下降，因此失穩(wěn)

5、擴(kuò)展的裂紋停止又轉(zhuǎn)變?yōu)橐詼?zhǔn)解理方式為主，并伴隨著剪切撕裂的穩(wěn)定擴(kuò)展。不同取樣位向的試樣，其宏觀斷裂行為和細(xì)觀斷裂機(jī)理沒有明顯的不同。但在22.5°≤θ≤67.5°范圍內(nèi)，Pmax較高，表明裂紋起裂和擴(kuò)展的阻力要稍大一些，韌窩比例較多，此時(shí)斷裂起裂以微孔型延性斷裂為主，消耗能量高，因此起裂韌性高。 (4)Mode Ⅰ加載，缺口前應(yīng)力σe、應(yīng)變ε和馬氏體體積分?jǐn)?shù)f的分布對稱；ModeⅠ/Ⅱ復(fù)合型加載，缺口一側(cè)鈍化，一側(cè)銳化，缺口前σ

6、e、ε和f的分布不對稱，且σe、ε和f的最大值分布區(qū)域均出現(xiàn)在缺口鈍化一側(cè)；隨偏心距S0的減小(即ModeⅡ比例的增加)，σe、ε和f的最大值區(qū)域順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度θ增大。平面應(yīng)變狀態(tài)下，缺口前端的三軸應(yīng)力度σm/σe相對較大，對馬氏體相轉(zhuǎn)變的約束作用較大，Ps和Pf高于平面應(yīng)力狀態(tài)(S0相同時(shí))。當(dāng)P大于Pf，缺口鈍化側(cè)尖端的σe、ε最高，裂紋將起裂于此尖端，并沿“塑性區(qū)”最小路徑方向擴(kuò)展于缺口前的全馬氏體區(qū)中。隨著S0降低，特征載荷P