NiTi形状记忆合金棘轮行为的实验研究与本构描述

摘要

NiTi形状记忆合金以其独特的超弹性、形状记忆性能及良好的生物相容性而备受关注，目前已广泛应用于医疗外科、航空和微机电等领域。由于形状记忆合金在工程应用领域中的特殊性，其工作环境多处于循环热力学载荷下，其表现形式之一是往复的加载和卸载。超弹性NiTi合金在循环加载和卸载过程中不断发生应力诱发马氏体相变和逆相变，而形状记忆NiTi合金在循环加载和卸载过程中不断发生应力诱发马氏体的重定向和弹性卸载。随着循环周次的增加，材料的特征参数及相变行为也将发生变化。应该注意到，已有研究均是在应变控制的循环加载条件下进行的，没有涉及到应力控制下的循环变形行为。为了能够完善的设计形状记忆合金工作元件并且评估其可靠性，因此很有必要开展NiTi形状记忆合金在应力控制下的循环变形行为的实验研究，并进行本构描述。 本文开展了如下研究工作： (1)对超弹性NiTi合金分别进行了峰值应力为450MPa、500MPa、550MPa下的拉伸卸载循环变形实验研究，讨论了不同加载工况下材料的应力应变曲线、奥氏体名义弹性模量、峰值应变、残余应变及耗散能的变化规律。 (2)对形状记忆NiTi合金分别进行了峰值应力为240MPa、470MPa、600MPa和700MPa下的拉伸卸载循环变形实验研究，讨论了这四种不同加载工况下材料的应力应变曲线、峰值应变、谷值应变及耗散能的变化规律。 (3)对超弹性NiTi合金相变棘轮行为进行了本构描述。通过与实验结果的比较，表明提出的本构模型对超弹性NiTi合金的相变棘轮行为能给出较好的预测结果。

目录

文摘

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第1章 绪论

1.1 形状记忆合金

1.1.1 SMA的发展历程

1.1.2 SMA的应用举例

1.1.3 小结

1.2形状记忆效应和超弹性效应

1.2.1形状记忆效应

1.2.2超弹性效应

1.2.3形状记忆效应和超弹性的关系

1.3形状记忆合金本构模型的研究现状

1.3.1单调加载下的本构模型

1.3.2循环加载下的本构模型

1.4现有研究所存在的不足

1.5 本论文主要研究内容和研究意义

1.5.1本文的主要研究内容

1.5.2本文的研究意义

第2章 超弹性NiTi合金和形状记忆NiTi合金循环变形行为的实验研究

2.1超弹性NiTi合金应力控制下的循环变形行为的实验研究

2.1.1实验方法

2.1.2实验结果与讨论

2.1.3实验小结

2.2形状记忆NiTi合金循环变形行为的实验研究

2.2.1实验方法

2.2.2实验结果与讨论

2.2.3实验小结

第3章 超弹性NiTi合金相变棘轮行为的本构描述

3.1广义塑性理论

3.2内变量的选择

3.3主控方程

3.4相变演化律

3.4.1相变面

3.4.2相变流动法则

3.5塑性流动律

3.6残余马氏体分数的演化律

3.7模拟结果与讨论

3.7.1模型参数

3.7.2模拟结果与讨论

3.7.3结论

结论与展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目