應力誘發(fā)馬氏體相變微結構演化的實驗觀測、理論計算和數(shù)值模擬.pdf

1、形狀記憶合金(SMA)是一類重要的智能、功能材料,其獨特的形狀記憶效應和超彈性使其已獲得較為廣泛的應用。近年來隨著濺射和微加工技術的迅速發(fā)展,SMA更被認為是可用于制備微機電系統(tǒng)(MEMS)中驅(qū)動與控制元件的一種較為理想的材料。為了充分發(fā)揮材料性能,并能對形狀記憶合金為材料制成的微小型器件及醫(yī)療器械進行優(yōu)化設計,十分需要深入地研究并掌握形狀記憶合金微尺度下的相變過程及其與宏觀力學行為的關系。
　　 本文首先從實驗觀測方面考察了C

2、u基形狀記憶合金單晶CuAlNi應力誘發(fā)馬氏體相變的特征,及其微結構的演化規(guī)律。根據(jù)實驗材料的特殊性,自行設計一套實驗系統(tǒng)用于宏觀力學行為和微觀結構演化的實時觀測;結合圖像處理的方法,獲得相變過程中關于試樣全局的定量化信息:并利用統(tǒng)計分析的方法,從中提取相界面數(shù)、相分量、寬度分布等一系列定量的信息,用于尋找和分析相變的特征和規(guī)律。
　　 實驗結果表明,相變過程可分為三個階段:伴隨著應力急劇下降的以馬氏體條帶形成為主的階段,應力相

3、對比較平穩(wěn)的條帶形成與長大并存的階段,以及以馬氏體條帶變寬并且相互融合的長大為主的階段。對于同一個試樣,相變也具有多步(兩步或者三步)的特征。最后,通過馬氏體條帶寬度的分析,也同樣印證了以上的結論,并且發(fā)現(xiàn)在整個相變過程中,馬氏體條帶的寬度分布都是不均勻的。
　　 通過對馬氏體相變的一維動力學模型的數(shù)值模擬,考慮了其等溫和非等溫的情況,用于模擬與解釋實驗中觀測到的現(xiàn)象。結果顯示,相變發(fā)生與結束時,各部分能量都會發(fā)生突變,應力急劇

4、下降,而相變的整個過程中出現(xiàn)的是多界面的微結構,且界面有一定的厚度。另外還詳細考察了模型中的各個參數(shù)對相變微結構和宏觀應力應變曲線的影響。
　　 利用同倫分析方法,可對描述相變的非線性Euler-Lagrange方程進行求解。尤其在界面數(shù)較大的情況下,同倫分析方法顯示出其極大的優(yōu)越性。同時,利用解的對稱性條件,可得到所有滿足解表達的級數(shù)解。在能量泛函極小化的情況下對所獲得的級數(shù)解進行分析,結果顯示相變開始應力會急劇下降,相變微結