镍钛铌形状记忆合金特性的试验与本构模型研究

镍钛铌形状记忆合金特性的试验与本构模型研究形状记忆合金因其独特的伪弹性和形状记忆效应,近几十年来受到了广泛关注。NiTiNb形状记忆合金作为NiTi基合金的重要成员,在一定的温度(Ms+30oC)下经历一定的预变形(约16%)后可获得宽的相变滞后效应和较好的形状记忆效应,使该材料制作而成的管接头等连接件能够在常温下运输和储存,从而大大方便了应用。

另一方面,随着科技的发展,材料与结构的使役条件日益苛刻,形状记忆合金实际使用过程中不可避免的卷入塑性变形,而塑性变形对形状记忆合金的逆相变应力和滞后温度有着显著的影响。为了更好的利用这种材料,国内外的学者对其热力学特性进行了大量的研究工作。

本文在系统地分析国内外有关形状记忆合金试验和本构行为研究现状的基础上,结合近年来有关Ni47Ti44Nb9形状记忆合金试验及本构模型的发展,对

Ni47Ti44Nb9形状记忆合金的热—力学特性进行了较为系统的试验研究,在此基础上提出了一种考虑塑性变形影响和片层状微结构的跨层次形状记忆合金本构模型及Ni47Ti44Nb9形状记忆合金的细观力学模型。取得了以下进展:1、对

Ni47Ti44Nb9形状记忆合金进行了系统的试验研究:运用微观观测手段观察了合金的微观组织结构并测量了其各组成成分;运用DSC和XRD方法测量了合金的特征相变温度点和组织状态,在此基础上进行了不同温度条件下合金的单轴拉伸试验和纯扭转试验及其升温回复特性研究;研究了Ms+30oC温度下不同拉扭比例的比例加载、先拉后扭和先扭后拉三种典型路径下的力学响应及相应的升温回复特性的比较;利用XRD方法测量了不同加载路径条件下材料内部激活的不同变体。

试验结果表明,常温下基体材料由细条状的奥氏体组成,富Nb相颗粒弥散分

布在NiTi基体中;材料在拉伸和扭转变形下的响应具有显著差异,包括应力应变曲线及试件表面形貌,但其相变应力都随着环境温度的升高而升高;双轴路径下材料的力学响应及升温回复特性强烈的依赖于加载路径,并在应变空间中沿最短路径回复;单轴拉伸和纯扭转加载方式在材料内部激活的马氏体变体不同,而拉—扭二维加载路径下激活的变体是二者的叠加。2、基于非经典塑性理论建立了各相本构模型并改进了相变控制方程:将形状记忆合金看作马氏体相和奥氏体相的混合物,将马氏体相考虑成弹性-相变(重取向)-塑性三个部分组成,将奥氏体相考虑成弹性-塑性两个部分,基于非经典塑性理论建立了马氏体相和奥氏体相本构模型。

考虑到塑性变形对材料逆相变应力和相变滞后温度的影响,对Tanaka相变控制方程进行了改进。3、建立了考虑塑性变形和材料微结构的形状记忆合金本构模型:基于试验观察到的形状记忆合金片层状微结构,将其考虑成马氏体薄片和奥氏体薄片相互叠合而成的代表性体积单元,马氏体片和奥氏体片的本构关系采用前一部分建立的本构方程,通过内部应力应变的协调关系建立了代表性体积单元的本构关系。

将形状记忆合金多晶考虑为沿正二十面体面法向进行取向平均后的代表性单元组集而成,利用Hill自洽方法,得到了考虑塑性影响和材料微结构形式的跨层次形状记忆合金本构模型。利用该模型对形状记忆合金的铁弹性和伪弹性进行了模拟,计算结果与试验结果吻合较好;对不同应变幅值塑性变形对逆相变应力进行了数值模拟,与试验结果的比较表明,模型能够很好地描述塑性变形的影响。

4、初步发展了NiTiNb形状记忆合金细观本构模型:以考虑塑性的马氏体相和奥氏体相本构关系为基础,首先利用voigt假设建立了形状记忆合金两相本构

模型,以此作为NiTi基体相的本构模型,同时将Nb相考虑成弥散分布在基体上的球形夹杂,利用Mori-Tanaka方法,初步发展了NiTiNb形状记忆合金细观本构模型。利用该模型研究了不同体积分数弹性夹杂、弹塑性夹杂对材料整体和基体的影响,结果显示模型能够很好的描述其响应规律;最后对NiTiNb形状记忆合金在不同温度下纯扭转和单轴拉伸的响应,不同拉扭比例的比例加载、先拉后扭和先扭后拉三种不同路径下材料响应进行了模拟,通过数值计算结果和试验结果比较,表明发展的模型能够较好的描述试验现象。