超彈性NiTi合金本構(gòu)模型研究及其有限元應(yīng)用.pdf

1、NiTi形狀記憶合金以其獨特的超彈性、形狀記憶性能及良好的生物相容性而備受關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、微機電系統(tǒng)和摩擦學(xué)等領(lǐng)域。由于形狀記憶合金在工程應(yīng)用領(lǐng)域中的特殊性，其服役環(huán)境十分復(fù)雜。超彈性NiTi合金在高溫和高應(yīng)力下會發(fā)生奧氏體和馬氏體的塑性變形，導(dǎo)致卸載后產(chǎn)生殘余變形，使得超彈性部分喪失；同時，在循環(huán)加載和卸載過程中，由于重復(fù)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變和逆相變，材料參數(shù)及相變行為將隨著循環(huán)周次的增加而發(fā)生變化，從而引

2、起超彈性的嚴(yán)重劣化。然而，已有研究大部分關(guān)注的是熱力學(xué)載荷作用下的超彈性效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)和應(yīng)變控制下卸載殘余變形的循環(huán)累積，很少涉及到超彈性NiTi合金的塑性屈服行為和應(yīng)力控制下的循環(huán)變形行為。因此，很有必要開展超彈性NiTi合金的塑性行為研究和應(yīng)力控制下的循環(huán)變形實驗研究，建立考慮塑性和循環(huán)載荷效應(yīng)的本構(gòu)模型。這不僅豐富了材料本構(gòu)關(guān)系的研究成果，同時在基于形狀記憶合金的元器件的可靠性設(shè)計和壽命評估中也具有重要的應(yīng)用價值。
　　

3、 對超彈性NiTi合金的塑性行為和循環(huán)變形行為進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗和理論研究，取得了以下成果：
　　 1.在室溫下對超彈性NiTi合金在拉伸-卸載、拉伸-拉伸、對稱拉壓和非對稱拉壓4種不同加載波形下進(jìn)行了應(yīng)力控制下的循環(huán)變形實驗。揭示了相變棘輪行為的幾個主要特征：峰值應(yīng)變和谷值應(yīng)變隨循環(huán)周次的增加而增加，相變應(yīng)力和耗散能隨循環(huán)周次的增加而減小且它們均在一定的循環(huán)周次后達(dá)到穩(wěn)定；谷值應(yīng)變比峰值應(yīng)變增加的更為顯著；相變棘輪行為及其演化

4、與加載應(yīng)力水平和加載波形密切相關(guān)。這將為建立描述相變棘輪行為的循環(huán)本構(gòu)模型奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　 2.在廣義塑性框架下，結(jié)合已有的實驗數(shù)據(jù)，提出了一個新的考慮奧氏體和馬氏體塑性屈服的超彈性本構(gòu)模型。進(jìn)而對本構(gòu)模型進(jìn)行隱式應(yīng)力積分，推導(dǎo)出關(guān)于相變和塑性屈服行為的一致性切線剛度矩陣，通過ABAQUS用戶子程序UMAT對本構(gòu)模型進(jìn)行了有限元實現(xiàn)，并通過與本構(gòu)模型預(yù)測結(jié)果的比較和結(jié)構(gòu)算例驗證了有限元實現(xiàn)的正確性與合理性。
　　

5、 3.根據(jù)實驗揭示的相變棘輪行為特性，建立了描述循環(huán)應(yīng)力加載下相變棘輪行為的循環(huán)本構(gòu)模型。模型中總非彈性應(yīng)變遵循兩種變形機制，即不完全的逆相變變形和奧氏體與馬氏體界面間產(chǎn)生的塑性變形。通過與實驗結(jié)果的比較可知，提出的模型對超彈性NiTi合金的相變棘輪行為能夠給出較合理的預(yù)測結(jié)果。同時成功地對本構(gòu)模型進(jìn)行了有限元實現(xiàn)。
　　 4.利用考慮塑性屈服的超彈性本構(gòu)模型，通過量綱分析和有限元計算，獲取了壓入硬度和臨界載荷與材料參數(shù)之間不尋