镍钛铌形状记忆合金宏细观力学行为研究

摘要

Ni47Ti44Nb9形状记忆合金在一定条件下(Ms+30℃)变形(16％预变形)后可获得宽的相变滞后和良好的形状记忆效应，这对实际工程应用具有十分重要的意义。用这种合金制成的记忆合金连接件和紧固件可在常温下运输和存储而无需保存在液氮中,应用极为方便。
　　为研究该材料在预变形后马氏体逆相变温度As提高的热力学机理，以建立相应的数值方法并模拟Ni47Ti44Nb9形状记忆合金管接头的装配过程，本文在分析国内外有关形状记忆合金本构行为研究现状的基础上，结合近年来有关Ni47Ti44Nb9形状记忆合金试验研究得到的新现象，从试验、宏观本构模型、细观本构模型、数值模拟等方面对Ni47Ti44Nb9形状记忆合金进行了较为系统的研究。主要研究工作和结论如下：
　　1、系统地研究了Ni47Ti44Nb9形状记忆合金的典型热力学特性：研究了不同温度时合金在拉伸、扭转载荷作用下的响应特性以及升温回复特性。研究了在-60℃(即Ms+30℃)下合金在不同拉扭比例、非比例载荷作用下的应力应变响应特性以及对应的升温回复特性。结果表明，在简单拉伸和纯扭转变形下材料表现出不同的力学响应特性及升温回复特性。与拉伸变形相比，扭转变形中材料相变时未见应力跌落。升温过程中，拉伸与扭转方向产生的相变应变在同一温度有较大回复，与加载历史无关。文中还研究了在不同预变形下的约束升温特性，发现随预变形的增加，材料中的回复力增大。同时研究了不同回复应变下材料的约束升温特性以及常温下材料的循环特性。
　　2、建立了考虑塑性与相变相互影响的形状记忆合金宏观本构模型：根据塑性变形可以提高马氏体逆相变的温度和降低马氏体逆相变开始应力等试验现象，提出了考虑塑性变形的形状记忆合金材料的自由能表达式。在此基础上根据连续介质力学理论推导出应力、与相变和塑性有关的背应力、曳应力的表达式；构造了形状记忆合金的耗散势能函数，分别得出了与相变、塑性相关的内变量的演化方程，并提出相应的本构积分算法及切线刚度。根据所发展的理论及算法编制了ABAQUS用户子程序UMAT，分析了形状记忆合金的典型特性，包括伪弹性、形状记忆效应、约束升温特性、特别是塑性变形对马氏体逆相变的影响。建立了管接头的有限元模型，模拟了包含管接头低温扩孔、升温回复和降温等的安装过程，对管接头与被连接件间的接触压力进行了分析。
　　3、发展了Ni47Ti44Nb9形状记忆合金的细观本构模型：将Ni47Ti44Nb9形状记忆合金视为NiTi基体中嵌入软相的β-Nb夹杂的混合物，采用Mori-Tanaka方法发展了Ni47Ti44Nb9合金的细观本构模型。比较了各向同性化基体切线刚度与各向异性基体切线刚度计算的Eshelby张量对材料响应特性的影响。结果表明，按各向同性化基体刚度计算出的Eshelby张量得出的应力应变曲线与有限元计算结果较为吻合。基于上述结果计算了SMA基体中嵌入弹性、弹塑性夹杂对材料整体响应特性的影响。得出了不同体积分数的弹性、弹塑性夹杂对拉伸应力应变曲线的影响以及对马氏体逆相变开始温度As的影响。结果表明，当体积分数小于10%时，弹塑性夹杂的塑性变形对As的提高贡献较小；考虑到基体中塑性变形对As的影响，采用所建立的本构模型对材料在不同温度、不同载荷路径下的响应特性进行了数值分析，结果表明，所发展的本构模型能较好地描述试验现象，包括不同温度下扭转响应特性及升温回复特性，与试验结果趋势较为一致。
　　4、对Ni47Ti44Nb9形状记忆合金管接头的装配过程进行了数值模拟：将基于所发展宏观本构模型编写的用户自定义材料子程序嵌入有限元软件ABAQUS，计算了不同壁厚管接头在装配过程中接触压力等力学变量随着厚度的变化，发现装配完成后管接头中的应力沿径向分布不均匀，与管接头厚度有关；被连接管中应力不均匀，内壁应力较大，轴线方向上管中部应力较大；管接头与被连接管间的接触压力沿着轴线方向分布不均匀，与厚度密切相关。对计算结果分析表明可采用减少管接头内径、增加壁厚、减少装配间隙等手段提高管接头的径向压应力。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 形状记忆合金概述

1.3形状记忆合金试验的研究现状

1.4形状记忆合金本构模型发展现状

1.5 平均场理论的发展现状

1.6 本文研究的意义和内容

2 Ni47Ti44Nb9形状记忆合金力学性能研究

2.1引言

2.2试验材料及设备

2.3试验结果

2.4 分析与讨论

2.5 小结

3 考虑塑性变形影响的形状记忆合金宏观本构模型

3.1 引言

3.2 考虑塑性变形影响的形状记忆合金宏观本构模型

3.3 应力更新算法

3.4 UMAT算法流程

3.5 模型验证及在实际结构中的应用

3.6小结

4 NiTiNb形状记忆合金细观本构模型

4.1 引言

4.2细观力学方法基础理论

4.3 NiTiNb细观本构模型

4.4本构理论增量格式及算法

4.5 数值算例

4.6 NiTiNb形状记忆合金力学特性

4.7 小结

5 形状记忆合金管接头数值模拟

5.1引言

5.2 材料参数的确定

5.3 有限元模型的建立

5.4 结果分析

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2展望

致谢

参考文献

附 录