镍钛形状记忆合金循环伪弹性特性描述

摘要

在一定温度(T>Af)下,NiTi形状记忆合金(SMA)受载变形后卸载可回复到变形前的形状,具有良好的伪弹性特性,日益受到人们的关注,并在医疗、汽车、国防、航空航天等领域获得广泛的应用。在实际应用中,NiTi合金元件不可避免地会受到循环及多轴复杂载荷的作用,由此产生的材料的循环变形行为及多轴复杂载荷作用下的特殊本构行为决定着SMA的疲劳寿命和在实际结构中的有效使用。研究NiTi SMA在循环及多轴复杂载荷作用下的变形行为、建立能系统描述形状记忆合金复杂特性的本构模型具有重要的理论意义和应用背景。
　　本文结合NiTi SMA单轴循环、双轴拉剪试验研究结果,采用基于混合物理论的计及相变、重取向与塑性变形的SMA本构模型发展了相应的循环、双轴二维数值算法和程序。对NiTi形状记忆合金单轴循环、双轴拉剪变形行为进行了描述。通过试验结果与模拟结果的比较,验证了本构模型与算法的有效性。主要研究工作和结论如下:
　　1、系统地研究了应变控制一维拉伸循环加载下NiTi SMA的典型响应特性。考察了在不同应变幅值下,材料的相变应力、可回复应变、残余应变、塑性应变、耗散功密度及可回复能密度等响应特性的变化规律。结果表明,随着最大应变幅值的增加,材料第一次循环产生的塑性变形增大;该塑性变形的大小,影响了材料的残余应变、相变应力、最大应力及耗散功密度等在后续循环过程中的变化规律;随着循环次数的增加,材料的可回复应变、相变应力、耗散功密度等逐渐趋于饱和状态。
　　2、结合试验研究结果,对材料在循环应变路径下出现的相变及逆相变平台随循环次数的增加逐渐下降、应力应变曲线起点随循环次数的增加渐渐偏离现象进行分析与讨论,给出了合理的微观层面上的解释。
　　3、分析了应变控制先拉后剪、先剪后拉及拉剪同步应变路径下NiTi SMA的主要响应特性。主要考察了不同应变路径下材料的变形行为、同一应变路径下不同的最大拉伸应变幅度对材料特性的影响。结果表明。在不同应变路径下,NiTi形状记忆合金呈现出不同的响应特性,均表现出较明显的伪弹性。
　　通过与试验结果的比较,表明本文所采用的形状记忆合金本构模型能较好地描述单轴循环、双轴拉剪应变路径下的本构行为及主要响应特性,验证了本构模型的有效性。