NiTi形状记忆合金宏细观热-力耦合循环本构模型研究

摘要

NiTi形状记忆合金以其优越的超弹性、形状记忆特性、生物相容性以及高阻尼特性，被广泛地应用在航空航天、生物医学工程、土木工程等领域。NiTi形状记忆合金作为结构中的关键元件，在服役过程中常常受到循环热-力荷载的作用。在NiTi形状记忆合金的循环变形过程中，功能性劣化（超弹性和形状记忆效应的劣化）和热-力耦合效应是两个不可忽略的重要因素，并且相互作用和影响。因此，很有必要建立考虑功能性劣化特性和热-力耦合效应的本构模型来描述和预测NiTi形状记忆合金结构和器件在各种复杂热-力荷载作用下的循环变形特性。近年来，已有不少学者基于实验现象在不同尺度上建立了NiTi形状记忆合金的本构模型。在宏观尺度上，已有的模型仅仅考虑了功能性劣化特性或热-力耦合效应中的一种，对功能性劣化特性的描述采用唯象方法，缺乏相应的物理机理。在细观尺度上，已有的模型仅仅关注NiTi形状记忆合金在一个加-卸载下的热-力学响应，由于尚未考虑到材料功能性劣化所对应的内在机制，无法对NiTi形状记忆合金循环变形特性给出合理的描述。
　　可见，已有的本构模型还不够完善，仍有较大的局限性。针对以上不足，本文将在不同尺度下建立NiTi形状记忆合金的热力耦合循环本构模型，开展的创新性工作如下:
　　(1)在宏观尺度下，通过对已有宏观-微观实验现象的总结，提出了NiTi形状记忆合金在循环变形过程中超弹性劣化的物理机理，即马氏体相变和缺陷的交互作用。基于热力学框架，针对超弹性NiTi形状记忆合金建立了一个能够同时描述其超弹性劣化和率相关变形行为的热-力耦合循环本构模型。通过模拟和预测超弹性NiTi形状记忆合金在不同加载率下的循环变形特性，验证了该模型的预测能力。进一步，采用该模型预测了超弹性NiTi形状记忆合金温度相关的循环变形特性。
　　(2)在单晶代表性体积单元上，通过确定的晶体学位向关系引入多种非弹性变形机制，即马氏体相变、马氏体重定向、马氏体解孪、奥氏体塑性和马氏体塑性，基于热力学框架在单晶尺度下建立了热-力耦合本构模型。通过显式过渡准则和温度均匀性假设，将单晶模型过渡到了多晶。通过对多晶NiTi形状记忆合金在不同温度、不同加载率、不同应力水平下的单轴和非比例多轴热-力耦合变形特性的描述和预测，验证了模型的合理性和全面性。
　　(3)通过总结已有的宏观-微观实验观察，提出了一种新的非弹性变形机制，即马氏体重定向诱发塑性。在工作(2)建立的晶体塑性模型基础上，进一步在单晶代表性体积单元上定量引入和NiTi形状记忆合金功能性劣化相关的非弹性变形机制，即相变诱发塑性、重定向诱发塑性和残余马氏体的累积，进而基于热力学框架在单晶尺度下建立了热-力耦合本构模型。通过显式过渡准则和温度均匀性假设，将单晶模型过渡到多晶。通过对多晶NiTi形状记忆合金在不同温度下的单轴、非比例多轴以及率相关循环变形行为进行了模拟和预测，验证了模型的预测能力。
　　(4)在单晶代表性体积单元上，考虑马氏体相变和相变诱发塑性两种非弹性变形机制。将24个马氏体处理成形态相同、但晶体学位向不同的椭球形夹杂镶嵌在弹性各向异性的奥氏体基体中，并进一步采用Mori-Tanaka均匀化方法得到奥氏体和每个马氏体变体中的平均应力场。基于马氏体瞬间扩展假设，提出相变诱发塑性应变及位错密度的正向、逆向继承概念，在热力学框架下建立了单晶细观循环本构模型。通过对单晶各向异性循环变形特性的描述和预测，验证了模型的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 实验研究

1．2．2 本构模型研究

1．3 现有研究工作的不足

1．4 本论文的主要研究内容

1．5 本论文的主要创新点

第2章 基于物理机理的超弹性NiTi形状记忆合金宏观热-力耦合循环本构模型

2．1 超弹性NiTi形状记忆合金单轴率相关循环变形特性概述

2．2 超弹性NiTi形状记忆合金单轴率相关循环变形物理机理

2．3 基于物理机理的超弹性NiTi形状记忆合金宏观热-力耦合循环本构模型

2．3．1 非弹性应变定义及热力学框架

2．3．2 相变-位错交互作用及演化方程

2．3．3 温度场简化及一维本构模型

2．3．4 材料参数确定方法

2．4 模型验证与讨论

2．4．1 模型验证

2．4．2 温度相关超弹性劣化的预测

2．5 本章小结

第3章 基于晶体塑性的NiTi形状记忆合金热-力耦合本构模型

3．1 NiTi形状记忆合金多种非弹性变形机制

3．2 基于晶体塑性的NiTi形状记忆合金热-力耦合本构模型

3．2．1 非弹性应变定义

3．2．2 热力学框架

3．2．3 内变量演化

3．2．4 尺度过渡准则和温度均匀性假设

3．3 材料参数确定方法

3．4 模型验证与讨论

3．4．1 不同温度和应变率下的单轴变形特性

3．4．2 不同温度下的单轴多级加载变形特性

3．4．3 非比例多轴应力下的变形特性

3．4．4 模型的进一步讨论

3．5 本章小结

第4章 基于晶体塑性的NiTi形状记忆合金热-力耦合循环本构模型

4．1 NiTi形状记忆合金单轴、多轴循环变形特性

4．2 基于晶体塑性的NiTi形状记忆合金热-力耦合循环本构模型

4．2．1 非弹性应变定义

4．2．2 热力学框架

4．2．3 内变量演化

4．3 材料参数确定方法

4．4 模型验证和讨论

4．4．1 单轴和非比例多轴应力循环下的超弹性劣化效应

4．4．2 NiTi形状记忆合金T＜Mf时的循环变形

4．4．3 超弹性NiTi形状记忆合金(经过机械训练)不同加载率下循环变形特性

4．4．4 超弹性NiTi形状记忆合金(未经过机械训练)不同加载率下循环变形特性

4．5 本章小结

第5章 基于Eshelby夹杂理论的超弹性NiTi形状记忆合金细观循环本构模型

5．1 NiTi形状记忆合金单晶的各向异性变形特性

5．2 基于Eshelby夹杂理论的细观循环本构模型

5．2．1 非弹性应变定义

5．2．2 热力学框架

5．2．3 内变量演化

5．3 模型参数确定

5．3．1 和马氏体相变相关的参数

5．3．2 和塑性相关的参数

5．4 模型验证和讨论

5．4．1 不同晶向下的各向异性压缩-卸载变形特性

5．4．2 不同晶向下的各向异性压缩-卸载循环变形特性

5．4．3 参数n对模型预测结果的影响

5．4．4 拉伸-卸载循环变形特性

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目及发表的论文