基于相變微結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金本構(gòu)描述.pdf

1、熱力載荷作用下形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)特有的熱彈性馬氏體相變賦予其奇異的特性，如鐵彈性（ferroelasticity, FE）、形狀記憶效應(yīng)（shape memory effect, SME）和偽彈性（pseudoelastisity, PE）等。這些誘人的特性使形狀記憶合金作為一種重要的機敏材料近年來受到人們巨大的關(guān)注，并迅速在工業(yè)、國防、儀表和醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。形狀記憶合金在高新技術(shù)領(lǐng)域

2、中的迅速增長的應(yīng)用要求人們對其熱力學(xué)特性尤其是對其在多軸復(fù)雜加載史下的熱力學(xué)特性進行全面了解和正確的描述。人們已經(jīng)認識到材料的宏觀變形特性與材料在各個尺度下的變形特性有著密切的關(guān)系，并從大量事實中得到了一個共識，即材料的宏觀特性取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)。對形狀記憶合金的實驗表明，其在拉伸和扭轉(zhuǎn)過程中宏觀響應(yīng)特性的差異與其微結(jié)構(gòu)的差異緊密相關(guān)，尤其是在馬氏體相變和逆相變過程中其片層微結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展不同。迄今考慮此類相變微結(jié)構(gòu)的本構(gòu)描述甚為鮮

3、見，因此有必要發(fā)展一種跨層次的分析方法以研究其復(fù)雜的響應(yīng)特性及其微結(jié)構(gòu)依賴性，建立計及微結(jié)構(gòu)特征的材料本構(gòu)描述。隨著研究水平的提高和新現(xiàn)象的不斷發(fā)現(xiàn)（如相變局部化）要想建立更完整，適應(yīng)面更廣的模型，需要新的方法和新的知識。 本文在分析國內(nèi)外有關(guān)形狀記憶合金本構(gòu)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來的關(guān)于形狀記憶合金實驗研究得到的新現(xiàn)象，對實驗中的微結(jié)構(gòu)發(fā)展和伴隨著宏觀馬氏體帶的形成出現(xiàn)的應(yīng)力跌落現(xiàn)象進行了分析，并對形狀記憶合金微圓管的拉伸

4、實驗進行了有限元分析，進一步從材料細觀結(jié)構(gòu)的變化及兩相材料的相互約束關(guān)系出發(fā)，建立了記及片層狀微結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型。論文的主要工作和結(jié)論如下： （1）對有關(guān)形狀記憶合金在拉伸和扭轉(zhuǎn)實驗中的超彈性響應(yīng)的研究成果進行了回顧，特別考察了在拉伸和扭轉(zhuǎn)過程中的宏觀響應(yīng)特性差異的物理機制、結(jié)構(gòu)演化及其伴隨著宏觀馬氏體帶的形成出現(xiàn)的應(yīng)力跌落現(xiàn)象，并解釋了其物理機理。闡述了建立形狀記憶合金本構(gòu)方程時考慮其結(jié)構(gòu)的必要性。 （2）對形狀記憶合金

5、在拉伸下的力學(xué)特性進行了有限元分析，有限元分析中采用了三種不同分析模型，研究了不同實驗階段馬氏體相和奧氏體相力學(xué)行為由于界面約束造成的變化，得出了在實驗過程中兩相力學(xué)行為之間的關(guān)系隨馬氏體體積含量的變化規(guī)律。結(jié)果顯示在相變過程中，隨著材料結(jié)構(gòu)的演化，兩相間的約束強度發(fā)生了劇烈變化。 （3）基于對NiTi形狀記憶合金的實驗觀察及有限元分析，考慮兩相間的應(yīng)變不協(xié)調(diào)關(guān)系，采用應(yīng)變修正法建立了記及片層狀微結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型，本模型考慮了兩相

6、間的相互約束，及其約束隨微結(jié)構(gòu)不同的變化規(guī)律。所建模型具有很廣的應(yīng)用范圍：可以考慮溫度變化對材料性質(zhì)的影響及溫度變化引起的相變，也可用于記及材料片層狀結(jié)構(gòu)不考慮相變的一般雙相材料的描述，本模型也可通過自洽理論從馬氏體變體的層次上描述形狀記憶合金的力學(xué)特性。 （4）基于研究表明的兩相共存時每一相表現(xiàn)出的力學(xué)行為不同于其單獨存在時的力學(xué)行為。采用體應(yīng)變補償法考慮結(jié)構(gòu)對各相材料表現(xiàn)出的力學(xué)特性的影響，并利用假設(shè)的應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系建立了一種