NiTi形状记忆合金的伪弹性特性及其微结构机理的研究

【摘要】： 形状记忆合金是一种能够在温度和应力作用下发生相变的材料。由于具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性、铁弹性等特殊功能,近年来日益受到人们巨大的关注,并迅速在工业、国防、仪表和医疗领域获得广泛的应用。作为一种机敏材料,形状记忆合金本构关系的研究对其应用和发展至关重要。 人们已经认识到材料的宏观变形特性取决于材料的微结构特征及其变化。对NiTi形状记忆合金的试验研究表明,它在拉伸和扭转过程中宏观响应特性存在明显的差异,而这种差异与其相变微结构的差异紧密相关。为了合理地描述此类材料在复杂加载路径下的响应特性及微结构依赖性,有必要发展一种基于材料微结构的跨层次的分析方法。 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NiTi形状记忆合金试验研究得到的新现象,设计了特殊的夹具,利用扫描电镜和体视显微镜对不同加载条件下试件相变时的表面形态进行了观察和分析。根据观察到的相变微结构对NiTi形状记忆合金的拉伸和扭转特性进行了有限元模拟,进而建立了基于相变微结构及其变化的跨层次的本构模型,对NiTi形状记忆合金的伪弹性特性进行了描述,并和实验结果作了比较。论文的主要工作和结论如下: (1)对NiTi形状记忆合金在拉伸和扭转试验中超弹性响应的研究成果进行了回顾,特别分析了在拉伸和扭转过程中的宏观响应特性差异及其微结构的演化,并针对NiTi形状记忆合金微管的扭转试验结果,初步猜测微管试件在扭转载荷作用下的相变微结构可能为细小的马氏体和奥氏体片层相间的片层状结构,NiTi形状记忆合金的拉伸和扭转特性的巨大差异与其相变微结构的巨大差异密切相关。 (2)针对不同应力状态下材料相变时不同的微结构特征及其变化,设计并加工了专用的拉扭加载装置,对试件施加拉扭载荷,将其“冻结”在特定的应力状态下,进而采用扫描电镜,体视显微镜等对试件的表面形态进行观察和分析。观察发现材料在拉伸和扭转载荷作用下发生相变时试件表面微结构都是由奥氏体片和马氏体片交替叠合而成的片层状结构。在扭转载荷作用下发生相变时,其表面形成的片层结构分布较均匀,片层间距小。相反在拉伸载荷作用时,马氏体相的形核和发展都表现出高度的局部化,试件表面出现宏观马氏体带。试验观察验证了关于扭转载荷下试件相变微结构的猜测。 (3)基于试验观察到的相变微结构,借助ABAQUS软件对NiTi形状记忆合金微管在拉伸和扭转载荷下的响应特性进行数值模拟,结果很好地重现了NiTi形状记忆合金微管的宏观响应特性,从而确认了相变微结构对材料宏观响应特性的影响。分析表明在应力诱发的相变过程中,随着两相材料体积分数的动态变化,相间约束将发生剧烈变化,当软相的层厚较小时,约束较强。 (4)基于对NiTi形状记忆合金微薄壁管的实验观察及有限元分析,假设NiTi形状记忆合金材料由不同取向的代表性单元构成,每个代表性单元又为马氏体片和奥氏体片交替叠合的片层状结构,建立了跨微-细-宏观三个尺度的本构模型体系。假设奥氏体相为弹塑性而马氏体相为线弹性,采用简单机械模型推导了马氏体相的本构模型。进而考虑到基于以面内应变协调、面外应力协调假设为基础建立的细片层状胞元模型应用于片层间距较大场合的局限性,引入参数κ消除细片层状胞元模型应用于片层间距较大场合时存在的虚假体积应变,将细片层状胞元模型拓展到有限层厚的场合;在此基础上利用Hill自洽方法和各向异性Eshelby张量得到NiTi的弹塑性本构响应。 (5)利用所建立的跨尺度的分析方法,发展了相应的数值算法和程序,对NiTi形状记忆合金微管在拉、扭及复杂载荷下的响应特性进行了分析,与试验结果的对比表明,建立的本构模型较好地描述了拉伸试验过程中的应力跌落现象和NiTi形状记忆合金材料在拉伸和扭转过程中材料伪弹性行为的巨大差异。