TiNi合金伪弹性行为的理论、实验及数值模拟研究

【摘要】：形状记忆合金材料是一种新型功能材料,由于其形状记忆效应和伪弹性效应等优异的特性,被应用于生物医学、智能元部件、隔震吸能元件等。而其中最早开发的TiNi合金系列也是应用最多的形状记忆合金。本文对伪弹性TiNi合金的动静态力学行为进行了较为系统的实验、理论和数值模拟研究,主要包括以下几个方面: 从宏观和微观的角度指出了相变的机制以及衡量形状记忆合金相变过程的主要参数。对TiNi合金相变过程中的特殊行为,如马氏体重取向、拉压不对称性、变形局部化和失稳现象等进行了阐述。通过DSC(差示扫描量热仪)实验得出了Ti-50.9at.%Ni合金在多种不同的热处理方式下的ΔQ～T曲线以及相应的相变特征温度,并提出了常温下使Ti-50.9at.%Ni合金处于形状记忆状态和伪弹性状态的最佳热处理方式。 研究了伪弹性TiNi合金的低应变率力学性能,开展了不同温度、不同应变率、不同加载方式和条件下TiNi合会的准静态材料性能实验以及循环加载实验,获得了低应变率下TiNi合金的物理参数(如相变起始应力、残余应变、奥氏体和马氏体模量、迟滞面积等),得出了伪弹性TiNi合金在低应变率下的温度效应和应变率效应的一些规律,如TiNi合金在一定温度范围内的温度强化、伪弹性平台的温度效应等现象。给出了一种考虑温度效应和应变率效应耦合下的一维拉伸条件下本构关系的拟合形式,其结果和实验符合良好。 对材料开展了应变率10~3～2×10~3/s范围内的SHPB系列动态压缩实验、应变率10~2～10~3/s的旋转圆盘冲击拉伸实验,对高应变率下TiNi合金的动态压缩力学行为、动态拉伸力学行为做了较为全面的研究。通过高应变率的SHPB实验,得出结论:TiNi合金的相变起始应力随着应变率的改变而基本不变,相变结束应力随着应变率的提高而增加。经过回收试件的检测,发现试件的实际残余变形较小,表明了TiNi合金有较好的伪弹性;通过旋转圆盘冲击拉伸实验,观测到了动态拉伸实验中试件断裂时间和断裂应变等的应变率效应,分析了造成这种现象的可能原因。 对一种自制的TiNi合金阻尼耗能实验装置的振动特性进行了研究,讨论了振幅、预应变、温度等对系统固有频率和阻尼耗能性能的影响,得出了当应变幅值在一定范围内(＜3%)时,振幅越大,阻尼比越大,耗能越快,预应变可有效提高阻尼比的规律。根据实验数据,给出了形状记忆合金丝制螺旋弹簧的设计思路,并按照这种思路设计了一种形状记忆合金丝制螺旋弹簧。 推导了一种基于热力学定律以及马氏体相变学的形状记忆合金唯象本构模型,同时给出了几种不同相变演化方程(余弦形式、二次多项式、三次多项式)下形状记忆合金的具体本构表达形式,通过和工程中广为应用的经典唯象本构模型进行的对比性研究以及实验结果的验证,表明了新的本构模型的科学性和合理性。 借鉴塑性力学的思想以及某些新的假设,推导了形状记忆合金的一种三维本构模型,并利用ABAQUS有限元软件的二次开发接口,把这种三维本构模型导入ABAQUS之中。并对Ti-50.9at.%Ni合金准静态的MTS拉伸实验进行了数值模拟,数值模拟结果与实验保持了一致性,同时也验证了实验设计的可行性和本构模型的科学性。 利用DYNA的自带线性形状记忆合金本构模型,对张兴华博士所做的45#钢弹冲击伪弹性TiNi悬臂梁的实验进行了详细的数值模拟研究,对其主要参数,如悬臂梁最大扰度、子弹剩余速度等参数与实验结果进行了对比,二者的良好符合证实了数值模拟的正确性,同时利用数值模拟对实验中难以观察到的现象,如弯曲波的传播、悬臂梁能量的变化等进行了分析,得出了一些有用的结论。