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形状记忆合金材料的细观力学模型若干问题研究

朱玉萍  
【摘要】: 智能材料是信息科学融入材料科学的产物,已成为材料科学领域的一个重要分支。由于形状记忆合金具有许多特有的性能,形状记忆合金引起了复合材料研究领域的广泛关注,提出了智能形状记忆合金复合材料的概念。 磁控形状记忆合金除了具有传统的温控和应力控制记忆合金的一般特点外,还可以在磁场的作用下输出应变。它响应频率快,可以把磁能转化为机械能,极大地拓展了形状记忆合金的应用前景,是一种理想的多功能材料。 本构关系的研究是应用与发展这类材料的关键性问题,本文基于细观力学的理论和热力学原理,通过选取适当的状态变量,研究了形状记忆合金增强复合材料本构关系和磁控形状记忆合金的本构关系。具体工作如下: 基于细观力学的方法和热力学原理,从细观结构到宏观状态进行分析,将形状记忆合金增强复合材料作为三相等效系统进行分析,三相等效系统指基体相、奥氏体相和生成相马氏体相,形状记忆合金整体的体积百分比不变,建立了一个简单、准确的本构模型,分析形状记忆合金增强复合材料的宏观力学行为。这样分析时,奥氏体和马氏体都表现为弹性,形状记忆合金的非线性由马氏体体积分数确定,计算过程简单,同时还分析了奥氏体、马氏体和基体间的相互作用,理论分析更接近实际。 交互作用能是弹性应变能中很重要的一项,它体现了夹杂材料、本征应变与基体间的相互影响。这种能量虽然比较小,但对形状记忆合金的滞后特性的形成起了不可忽视的作用。基于细观力学的方法和热力学原理,推导了多相时交互作用能的一般表达式,该表达式适用于各种形状的夹杂。着重讨论了复合材料中基体材料、尺寸和温度等因素对交互作用能的影响,得到了一些定量的结论。 基于Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka场平均方法,推导弹塑性基体的形状记忆合金复合材料的三相细观力学本构模型。该模型可以适用于各种形状的纤维增强复合材料,分析了形状记忆合金纤维的形状、温度、尺寸和含量等因素对宏观应力、应变的影响,并且定量计算了形状记忆合金增强复合材料的纤维和基体的等效应力、残余应力随外力的演化曲线,得到了一些定量的结论,这为形状记忆合金增强弹塑性基体复合材料的设计和使用提供了理论依据。 由于形状记忆合金随温度变化会产生相变和逆相变,有奥氏体和马氏体两相,这两相材料的材料常数一般是不同的。在相变和逆相变的过程中,两相材料的体积分数会产生变化,从而形状记忆合金增强复合材料的宏观特性随之而改变,对于形状记忆合金增强复合材料的本构模型及其热力学行为,材料的宏观特性是很重要的影响因素。将形状记忆合金复合材料作为三相等效系统进行分析,基于细观力学的理论求解形状记忆合金复合材料的有效热膨胀系数和有效相变应变系数的一般表达式,得到了具有应用价值的结论。 基于细观力学的理论和热力学原理,通过选取适当的状态变量,推导马氏体变体再取向时,磁控形状记忆合金的本构模型。求解了磁控形状记忆合金的有效模量,以及由于相变、再取向、温度变化等因素引起的总的非弹性应变,得到了非弹性应变的全量表达式和马氏体变体体积分数的动力学方程。分析了应力的性质、磁场、温度、材料的性能和夹杂形状等因素对磁控形状记忆合金的宏观响应的影响。所得结果准确,为磁控形状记忆合金的设计和使用提供理论依据。


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