NiTi形狀記憶合金宏細(xì)觀熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金以其優(yōu)越的超彈性、形狀記憶特性、生物相容性以及高阻尼特性，被廣泛地應(yīng)用在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、土木工程等領(lǐng)域。NiTi形狀記憶合金作為結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵元件，在服役過(guò)程中常常受到循環(huán)熱-力荷載的作用。在NiTi形狀記憶合金的循環(huán)變形過(guò)程中，功能性劣化（超彈性和形狀記憶效應(yīng)的劣化）和熱-力耦合效應(yīng)是兩個(gè)不可忽略的重要因素，并且相互作用和影響。因此，很有必要建立考慮功能性劣化特性和熱-力耦合效應(yīng)的本構(gòu)模型來(lái)描述和預(yù)測(cè)NiTi

2、形狀記憶合金結(jié)構(gòu)和器件在各種復(fù)雜熱-力荷載作用下的循環(huán)變形特性。近年來(lái)，已有不少學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在不同尺度上建立了NiTi形狀記憶合金的本構(gòu)模型。在宏觀尺度上，已有的模型僅僅考慮了功能性劣化特性或熱-力耦合效應(yīng)中的一種，對(duì)功能性劣化特性的描述采用唯象方法，缺乏相應(yīng)的物理機(jī)理。在細(xì)觀尺度上，已有的模型僅僅關(guān)注NiTi形狀記憶合金在一個(gè)加-卸載下的熱-力學(xué)響應(yīng)，由于尚未考慮到材料功能性劣化所對(duì)應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，無(wú)法對(duì)NiTi形狀記憶合金循環(huán)變形

3、特性給出合理的描述。
　　可見，已有的本構(gòu)模型還不夠完善，仍有較大的局限性。針對(duì)以上不足，本文將在不同尺度下建立NiTi形狀記憶合金的熱力耦合循環(huán)本構(gòu)模型，開展的創(chuàng)新性工作如下:
　　(1)在宏觀尺度下，通過(guò)對(duì)已有宏觀-微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)，提出了NiTi形狀記憶合金在循環(huán)變形過(guò)程中超彈性劣化的物理機(jī)理，即馬氏體相變和缺陷的交互作用。基于熱力學(xué)框架，針對(duì)超彈性NiTi形狀記憶合金建立了一個(gè)能夠同時(shí)描述其超彈性劣化和率相關(guān)變形行

4、為的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型。通過(guò)模擬和預(yù)測(cè)超彈性NiTi形狀記憶合金在不同加載率下的循環(huán)變形特性，驗(yàn)證了該模型的預(yù)測(cè)能力。進(jìn)一步，采用該模型預(yù)測(cè)了超彈性NiTi形狀記憶合金溫度相關(guān)的循環(huán)變形特性。
　　(2)在單晶代表性體積單元上，通過(guò)確定的晶體學(xué)位向關(guān)系引入多種非彈性變形機(jī)制，即馬氏體相變、馬氏體重定向、馬氏體解孿、奧氏體塑性和馬氏體塑性，基于熱力學(xué)框架在單晶尺度下建立了熱-力耦合本構(gòu)模型。通過(guò)顯式過(guò)渡準(zhǔn)則和溫度均勻性假設(shè)，將單

5、晶模型過(guò)渡到了多晶。通過(guò)對(duì)多晶NiTi形狀記憶合金在不同溫度、不同加載率、不同應(yīng)力水平下的單軸和非比例多軸熱-力耦合變形特性的描述和預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了模型的合理性和全面性。
　　(3)通過(guò)總結(jié)已有的宏觀-微觀實(shí)驗(yàn)觀察，提出了一種新的非彈性變形機(jī)制，即馬氏體重定向誘發(fā)塑性。在工作(2)建立的晶體塑性模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在單晶代表性體積單元上定量引入和NiTi形狀記憶合金功能性劣化相關(guān)的非彈性變形機(jī)制，即相變誘發(fā)塑性、重定向誘發(fā)塑性和殘余馬氏

6、體的累積，進(jìn)而基于熱力學(xué)框架在單晶尺度下建立了熱-力耦合本構(gòu)模型。通過(guò)顯式過(guò)渡準(zhǔn)則和溫度均勻性假設(shè)，將單晶模型過(guò)渡到多晶。通過(guò)對(duì)多晶NiTi形狀記憶合金在不同溫度下的單軸、非比例多軸以及率相關(guān)循環(huán)變形行為進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了模型的預(yù)測(cè)能力。
　　(4)在單晶代表性體積單元上，考慮馬氏體相變和相變誘發(fā)塑性兩種非彈性變形機(jī)制。將24個(gè)馬氏體處理成形態(tài)相同、但晶體學(xué)位向不同的橢球形夾雜鑲嵌在彈性各向異性的奧氏體基體中，并進(jìn)一步采用M