鎳鈦鈮形狀記憶合金宏細(xì)觀力學(xué)行為研究.pdf

1、Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金在一定條件下(Ms+30℃)變形(16％預(yù)變形)后可獲得寬的相變滯后和良好的形狀記憶效應(yīng)，這對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有十分重要的意義。用這種合金制成的記憶合金連接件和緊固件可在常溫下運(yùn)輸和存儲(chǔ)而無(wú)需保存在液氮中,應(yīng)用極為方便。
　　為研究該材料在預(yù)變形后馬氏體逆相變溫度As提高的熱力學(xué)機(jī)理，以建立相應(yīng)的數(shù)值方法并模擬Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金管接頭的裝配過(guò)程，本文在分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)形狀記憶合金本構(gòu)行

2、為研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)有關(guān)Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金試驗(yàn)研究得到的新現(xiàn)象，從試驗(yàn)、宏觀本構(gòu)模型、細(xì)觀本構(gòu)模型、數(shù)值模擬等方面對(duì)Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。主要研究工作和結(jié)論如下：
　　1、系統(tǒng)地研究了Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的典型熱力學(xué)特性：研究了不同溫度時(shí)合金在拉伸、扭轉(zhuǎn)載荷作用下的響應(yīng)特性以及升溫回復(fù)特性。研究了在-60℃(即Ms+30℃)下合金在不同拉扭比例、非比例載荷作

3、用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特性以及對(duì)應(yīng)的升溫回復(fù)特性。結(jié)果表明，在簡(jiǎn)單拉伸和純扭轉(zhuǎn)變形下材料表現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)特性及升溫回復(fù)特性。與拉伸變形相比，扭轉(zhuǎn)變形中材料相變時(shí)未見應(yīng)力跌落。升溫過(guò)程中，拉伸與扭轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生的相變應(yīng)變?cè)谕粶囟扔休^大回復(fù)，與加載歷史無(wú)關(guān)。文中還研究了在不同預(yù)變形下的約束升溫特性，發(fā)現(xiàn)隨預(yù)變形的增加，材料中的回復(fù)力增大。同時(shí)研究了不同回復(fù)應(yīng)變下材料的約束升溫特性以及常溫下材料的循環(huán)特性。
　　2、建立了考慮塑性與相變相

4、互影響的形狀記憶合金宏觀本構(gòu)模型：根據(jù)塑性變形可以提高馬氏體逆相變的溫度和降低馬氏體逆相變開始應(yīng)力等試驗(yàn)現(xiàn)象，提出了考慮塑性變形的形狀記憶合金材料的自由能表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論推導(dǎo)出應(yīng)力、與相變和塑性有關(guān)的背應(yīng)力、曳應(yīng)力的表達(dá)式；構(gòu)造了形狀記憶合金的耗散勢(shì)能函數(shù)，分別得出了與相變、塑性相關(guān)的內(nèi)變量的演化方程，并提出相應(yīng)的本構(gòu)積分算法及切線剛度。根據(jù)所發(fā)展的理論及算法編制了ABAQUS用戶子程序UMAT，分析了形狀記憶合金

5、的典型特性，包括偽彈性、形狀記憶效應(yīng)、約束升溫特性、特別是塑性變形對(duì)馬氏體逆相變的影響。建立了管接頭的有限元模型，模擬了包含管接頭低溫?cái)U(kuò)孔、升溫回復(fù)和降溫等的安裝過(guò)程，對(duì)管接頭與被連接件間的接觸壓力進(jìn)行了分析。
　　3、發(fā)展了Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的細(xì)觀本構(gòu)模型：將Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金視為NiTi基體中嵌入軟相的β-Nb夾雜的混合物，采用Mori-Tanaka方法發(fā)展了Ni47Ti44Nb9合金的細(xì)觀本構(gòu)

6、模型。比較了各向同性化基體切線剛度與各向異性基體切線剛度計(jì)算的Eshelby張量對(duì)材料響應(yīng)特性的影響。結(jié)果表明，按各向同性化基體剛度計(jì)算出的Eshelby張量得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線與有限元計(jì)算結(jié)果較為吻合?；谏鲜鼋Y(jié)果計(jì)算了SMA基體中嵌入彈性、彈塑性?shī)A雜對(duì)材料整體響應(yīng)特性的影響。得出了不同體積分?jǐn)?shù)的彈性、彈塑性?shī)A雜對(duì)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響以及對(duì)馬氏體逆相變開始溫度As的影響。結(jié)果表明，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，彈塑性?shī)A雜的塑性變形對(duì)As的提

7、高貢獻(xiàn)較??；考慮到基體中塑性變形對(duì)As的影響，采用所建立的本構(gòu)模型對(duì)材料在不同溫度、不同載荷路徑下的響應(yīng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，所發(fā)展的本構(gòu)模型能較好地描述試驗(yàn)現(xiàn)象，包括不同溫度下扭轉(zhuǎn)響應(yīng)特性及升溫回復(fù)特性，與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)較為一致。
　　4、對(duì)Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金管接頭的裝配過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬：將基于所發(fā)展宏觀本構(gòu)模型編寫的用戶自定義材料子程序嵌入有限元軟件ABAQUS，計(jì)算了不同壁厚管接頭在裝配過(guò)程中接觸壓力