循环加载条件下TiNi形状记忆合金棒材的超弹性行为

第23卷　第4期2008年8月实　验　力　学J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICSVol.23　No.4Aug.2008文章编号:100124888(2008)0420305206循环加载条件下TiNi形状记忆合金棒材的超弹性行为3商泽进1,2,王忠民2,尹冠生1,郑碧玉1(1.长安大学理学院,陕西西安710061;2.西安理工大学理学院,陕西西安710048)摘要:通过TiNi形状记忆合金棒材在准静态循环加载条件下的力学性能实验,以相变应力、变形模量、残余应变、耗能能力等作为该合金棒材的超弹性特征参数,分析了这些特征参数随循环次数的变化规律。

结果表明:循环初期,各参数的值随循环次数的增加显著降低,到一定次数(εmax=5%时,约10次;εmax=2%时,约15次)后,这些参数的值趋于稳定。

即最初只具有部分超弹性的TiNi形状记忆合金棒材,经过一定次数的循环“训练”,可呈现出明显的完全超弹性,从而使得合金的力学性能趋于稳定。

工程应用时,应考虑循环加载对合金超弹性能的影响,根据具体工况合理设计。

关键词:形状记忆合金;TiNi;循环载荷;超弹性行为中图分类号:T G139+.6 文献标识码:A0　引言形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)是国内外学者广泛研究的新型功能材料,在许多领域有着日益广泛的应用。

近年来,SMA也被用于土木工程领域[1]。

SMA作为结构的被动、半主动或主动控制元件,与土木工程结构集成,可减少由环境或地震等引起的结构破坏及结构的动力响应,并使结构具有高度的自适应能力,从而能够解决用传统方法难以解决的实际问题[2-6]。

超弹性是形状记忆合金最值得注意的力学性能之一,是指合金在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变,在卸载时,应变可部分或全部自动回复的现象。

应变部分回复,称为部分超弹性;应变全部回复,称为完全超弹性[7]。

超弹性现象是应力诱发马氏体相变的表现。

在超弹性变形过程中,发生奥氏体和马氏体两种组织的可逆转变。

这两种组织及它们的混合物具有差别很大的阻尼能力,并且在加、卸载过程中,应力-应变关系出现迟滞效应。

因此,在超弹性变形过程中,材料表现出阻尼可调性及较高的能量耗散能力。

在土木工程领域,利用SMA的超弹性,可开发基于SMA的被动耗能器及阻尼器,实现土木工程结构的振动控制。

为了开发基于SMA的被动耗能器及阻尼器等装置,研究人员对SMA的超弹性行为进行了研究[8-10],指出了温度、加载速率、应变幅值及载荷循环等因素对SMA超弹性能的影响。

但上述研究,基本都是以SMA丝或弹簧作为研究对象,而对尺寸较大的SMA棒材的性能研究较少。

尤其是循环加载条件下,SMA棒材的超弹性能研究更为鲜见。

为此,本文针对TiNi形状记忆合金棒材,通过实验,研究了室温状态下,承受循环加、卸载作用的合金棒材,在设定最大应变为5%及设定最大应变为2%情况下3收稿日期:2008203210;修订日期:2008206216基金项目:长安大学科技发展基金资助项目(030521001)通讯作者:商泽进(1972-),女,博士研究生,研究方向:智能材料、结构振动。

E2mail:yyhszj@的超弹性行为。

探讨其相变应力、耗能能力、变形模量、残余应变等有关力学性能参数随循环次数的变化规律,为该合金的工程应用提供参考。

1　实验概况1.1　实验样品实验时,选取的TiNi 合金棒材直径为6mm ,化学成分为Ti 251at %Ni ,采用650℃热加工,500℃保温120分钟时效处理,试件长度为200mm ,其标矩为100mm ,相变温度为A f =23℃。

1.2　实验工况为了测量TiNi 合金棒材在循环载荷下的行为特性,实验在WDW 2100D 型万能电子试验机上进行,实验温度为室温(15℃)。

实验过程中,载荷由固连在夹头上的力传感器获取,棒材的变形由标矩为50mm 的引伸仪测量。

采用等位移加载到应变幅值为设定最大应变值时卸载,应力值为7M Pa 时,一次加、卸载循环结束。

在此基础上,开始再一次循环。

循环50次,实验结束。

设定的加、卸载速率为4mm/min 。

实验过程由计算机自动控制,实验数据由计算机自动采集。

实验装置如图1所示。

图1　实验装置图Fig.1　Experimental setup2　实验结果与分析图2　典型应力-应变曲线及特征参数定义Fig.2　Typical stress 2strain curve and definition of characteristic parameters2.1　应力-应变曲线上特征参数说明试验中,一次加、卸载循环对应的典型应力-应变曲线如图2所示。

在设定最大应变为5%时,应力诱发马氏体相变在加载阶段完全进行,整个实验曲线由6个阶段构成,如图2(a )所示,分别为:①oa603 实　验　力　学 (2008年)第23卷　段奥氏体弹性拉伸阶段;②ab 段应力诱发马氏体正相变阶段;③bc 段马氏体弹性拉伸阶段;④cd 段马氏体卸载回复阶段;⑤de 段应力诱发马氏体逆相变阶段;⑥ef 段奥氏体卸载回复阶段。

在设定最大应变为2%时,应力诱发马氏体相变在加载阶段没有完全进行,整个实验曲线由4个阶段构成,如图2(b )所示,分别为:①o ′a ′段奥氏体弹性拉伸阶段;②a ′b ′段应力诱发马氏体正相变阶段;③b ′c ′段应力诱发马氏体逆相变阶段;④c ′d ′段奥氏体卸载回复阶段。

图中,各特征参数说明如下:σMs ,σMf 分别为马氏体相变开始和结束时对应的临界应力;σAs ,σA f 分别为马氏体逆相变开始和结束时对应的临界应力;E 1为加载阶段奥氏体变形模量;E 2为应力诱发马氏体正相变阶段奥氏体、马氏体混合组织的变形模量;E 3为加、卸载阶段马氏体变形模量;E 4为应力诱发马氏体逆相变阶段马氏体、奥氏体混合组织的变形模量;εres 为一次加、卸载循环后的残余应变;εmax 是试验中设定的最大应变,σmax 是一次加、卸载循环中所能达到的最大应力。

图中应力-应变曲线所围的面积为一次加、卸载循环产生的滞回耗能W 。

2.2　实验结果与分析图3给出了循环载荷下TiNi 合金棒材的应力-应变实验曲线。

可以看出,循环初期,马氏体正、逆相变引起的应力-应变曲线的屈服平台明显,应力-应变曲线构成的滞回环面积较大。

随着循环次数的增加,屈服平台逐渐消失,滞回环面积不断缩小。

起初变化幅度较大,到一定次数后(在设定最大应变为5%时,约10次;在设定最大应变为2%时,约15次),变化趋于稳定,应力随应变按一定斜率变化,波动很小,滞回环也呈椭圆树叶形状稳定下来。

通过对各特征参数变化规律的分析,可系统说明应力-应变关系在循环载荷下的变化规律。

(1)各相变应力随循环次数增加均有不同程度的减小。

最初几次循环,减幅较大,其中,σMs 减幅最大,σMf ,σAs ,σA f 减幅小一些。

之后,减幅明显变缓。

在设定最大应变为5%时各相变应力的变化程度要大于在设定最大应变为2%时的程度。

到一定次数后(在设定最大应变为5%时,约10次;在设定最大应变为2%时,约15次),各相变应力趋于稳定。

如图3所示。

图3　循环载荷下的应力-应变曲线Fig.3　Stress 2strain curve under cyclic loading(2)从图3还可以看出,随着循环次数的增加,除马氏体相变的屈服平台(加载屈服平台)的斜率有所增加外(在设定最大应变为5%时,该现象明显),应力-应变滞回曲线上其它部分的斜率变化不大。

可以认为循环次数对材料变形模量的影响较小。

(3)加载过程中,材料的最大输出应力σmax 也随循环次数发生变化。

最初几次循环,σmax 随循环次数的增加显著降低。

其中,在设定最大应变为5%时的降低程度要大于在设定最大应变为2%时的降低程度。

到一定次数后(在设定最大应变为5%时,约10次;在设定最大应变为2%时,约15次),最大输出应力σmax 趋于稳定。

如图4所示。

(4)图5说明,TiNi 合金棒材的耗能能力随着循环次数的增加,有不同程度的降低。

最初几次循环中,滞回耗能很大,滞回耗能降低幅度也较大。

在循环到一定次数(在设定最大应变为5%时,约10次;703第4期 商泽进等:循环加载条件下TiNi 形状记忆合金棒材的超弹性行为在设定最大应变为2%时,约15次)后,材料的耗能能力趋于稳定。

在设定最大应变为5%时的滞回耗能比在设定最大应变为2%时要大,尤其是最初几次循环,二者滞回耗能的差异极大,但耗能能力趋于稳定时,二者滞回耗能的差异很小。

(5)由图6可知,每次循环后,都保留一定量的残余应变,最初几次循环残余应变量较大,但随着循环次数的增加,在设定最大应变为5%时,残余应变量先急剧减小,后减小幅度变缓,约10次循环后,残余应变几乎为零;在设定最大应变为2%时,残余应变量先有所增加,到第四次循环时,开始大幅减小,后减小幅度变缓,约15次循环后,残余应变几乎为零。

每次循环后累积的残余应变随循环次数的增加803 实　验　力　学 (2008年)第23卷　而增加,最初几次循环,增幅较大,当循环到一定次数(在设定最大应变为5%时,约10次;在设定最大应变为2%时,约15次)后,材料的累积残余应变几乎不变,材料呈现出明显的完全超弹性。

3　结论本文通过实验,获得TiNi 形状记忆合金棒材在室温条件下承受循环加、卸载作用的超弹性应力-应变曲线,并以表征合金超弹性行为的特征参数为分析对象,得到了合金的超弹性行为特性随循环次数的变化规律:在准静态加载速率下,随着循环次数的增加,各相变应力降低,马氏体开始相变应力σMs 降幅大于其它三个应力,经过十几次循环后,各相变应力趋于稳定;在最初的几次循环,在设定应变情况下,合金的最大输出应力、滞回耗能及累积残余应变等参数的值较大,随循环次数增加显著降低,到一定次数(在设定最大应变为5%时,约10次;在设定最大应变为2%时,约15次)后,这些参数趋于稳定。

结果表明:最初只具有部分超弹性的合金,经过一定次数(在设定最大应变为5%时,约10次;在设定最大应变为2%时,约15次)的循环训练,可呈现出明显的完全超弹性,从而使得合金的力学性能趋于稳定。

因此在工程应用中,可预先对TiNi 形状记忆合金棒材进行循环训练,以获得稳定的超弹性能后加以应用;也可以充分利用循环初期更加优良的阻尼性能(较大的滞回耗能),在经历一次振动激励后,考虑该合金阻尼性能的衰减规律,进行相应的应用设计。

本文仅讨论了TiNi 形状记忆合金棒材在准静态循环加、卸载条件下的超弹性行为,TiNi 形状记忆合金棒材超弹性行为对加载速率的敏感性,尤其是循环载荷作用下,不同加载速率对其超弹性行为的影响规律,作者将另文讨论。