鎳鈦鈮形狀記憶合金宏細觀力學行為研究.pdf

1、Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金在一定條件下(Ms+30℃)變形(16％預變形)后可獲得寬的相變滯后和良好的形狀記憶效應，這對實際工程應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輸和存儲而無需保存在液氮中,應用極為方便。
　　為研究該材料在預變形后馬氏體逆相變溫度As提高的熱力學機理，以建立相應的數(shù)值方法并模擬Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金管接頭的裝配過程，本文在分析國內(nèi)外有關形狀記憶合金本構行

2、為研究現(xiàn)狀的基礎上，結合近年來有關Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金試驗研究得到的新現(xiàn)象，從試驗、宏觀本構模型、細觀本構模型、數(shù)值模擬等方面對Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金進行了較為系統(tǒng)的研究。主要研究工作和結論如下：
　　1、系統(tǒng)地研究了Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的典型熱力學特性：研究了不同溫度時合金在拉伸、扭轉載荷作用下的響應特性以及升溫回復特性。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、用下的應力應變響應特性以及對應的升溫回復特性。結果表明，在簡單拉伸和純扭轉變形下材料表現(xiàn)出不同的力學響應特性及升溫回復特性。與拉伸變形相比，扭轉變形中材料相變時未見應力跌落。升溫過程中，拉伸與扭轉方向產(chǎn)生的相變應變在同一溫度有較大回復，與加載歷史無關。文中還研究了在不同預變形下的約束升溫特性，發(fā)現(xiàn)隨預變形的增加，材料中的回復力增大。同時研究了不同回復應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力等試驗現(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式。在此基礎上根據(jù)連續(xù)介質力學理論推導出應力、與相變和塑性有關的背應力、曳應力的表達式；構造了形狀記憶合金的耗散勢能函數(shù)，分別得出了與相變、塑性相關的內(nèi)變量的演化方程，并提出相應的本構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、約束升溫特性、特別是塑性變形對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擴孔、升溫回復和降溫等的安裝過程，對管接頭與被連接件間的接觸壓力進行了分析。
　　3、發(fā)展了Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的細觀本構模型：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合金的細觀本構

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算的Eshelby張量對材料響應特性的影響。結果表明，按各向同性化基體剛度計算出的Eshelby張量得出的應力應變曲線與有限元計算結果較為吻合?；谏鲜鼋Y果計算了SMA基體中嵌入彈性、彈塑性夾雜對材料整體響應特性的影響。得出了不同體積分數(shù)的彈性、彈塑性夾雜對拉伸應力應變曲線的影響以及對馬氏體逆相變開始溫度As的影響。結果表明，當體積分數(shù)小于10%時，彈塑性夾雜的塑性變形對As的提

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