应变率和应变历史对Cu_Al_Zn形状记忆合金力学行为的影响

第15卷　第4期2008年8月 金属功能材料Metallic Functional Materials

Vol 115,　No 14

August ,　2008

应变率和应变历史对Cu 2Al 2Zn 形状

记忆合金力学行为的影响

王国平1,陈九磅1,龚　明2

(11合肥工业大学　材料科学与工程学院,合肥　230009;

21中国科学技术大学　中科院材料力学行为和设计重点实验室,合肥　230026)

摘　要:本文研究了不同应变率和应变历史对单相Cu 2Al 2Zn 形状记忆合金的力学行为的影响。结果表明,在试验应变率01001/s ～011/s 范围,单相记忆合金是一种应变率相关材料,抗拉强度R m 和断裂应变εf 随应变率的增加而降低,呈现应变率弱化效应;但是,应变率改变对母相的弹性变形、热弹马氏体相变的起始应力没有显著影响。实验结果还表明,合金存在明显的相变诱发应变滞后和应力松弛现象。关键词:形状记忆合金;力学行为;应变率;应变历史

中图分类号:T G 13916 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2008)04-0015-04

Influence of Strain R ate and Strain History

on Mechanical B ehaviors of Cu 2Al 2Z n

Shape Memory Alloy

WAN G Guo 2ping 1,C H EN Jiu 2bang 1,GON G Ming 2

(11Department of Materials Science and Engineering ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China ;

21CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials ,University of

Science and Technology of China ,Hefei 230026,China )

ABSTRACT :The influence of strain rate and strain history on mechanical behaviors was investigated for Cu 2Al 2Zn shape memory alloy of single phase.It has been found that the alloy is a kind of strain rate sensitive material in the test strain rates f rom 01001/s to 011/s region 1Both tensile strength and f racture strain decrease with the increase of stain rate ,exhibiting a strain rate weakening effect 1But the variations of strain rate have no obvious effect on the e 2lastic deformation behaviors of the mother phase and the initial stress for stress induced thermo 2elastic martensite transformation 1The experimental results also show that there are distinct transformation 2induced strain hysteresis and stress 2relief phenomenona for single alloy 1

KE Y WOR DS :shape memory alloy ;mechanical behaviour ;strain rate ;strain history

作者简介:王国平(19652),男,在职博士研究生,副教授,主要从事金属材料方面的研究工作,发表论文20余篇。

Email :wangguoping217@sina 1com

Cu 2Al 2Zn 形状记忆合金作为功能材料,由于价格低廉,记忆效应良好,已成为记忆合金的一个重要分支,其记忆效应机制以及与之相关的超弹性效应和力学行为引起了有关学者的广泛关注。例如文献[1]揭示了铜基形状记忆合金不仅具有单程形状记忆效应,而且有的还具有双程甚至全方位记忆效应;文献[2]利用不同固溶和时效条件下得到的不同类型马氏体的形态、结构,研究了应力诱发马氏体相变与相变塑性的关系;Graesser ,Liang [3,4]等尝试利用形状记忆合金的相变和逆相变,来实现结构振动控制、

变形控制等;Boyd 和Lagoudas [5]进一步建立了一

系列包括温度、相变变量等状态变量在内的本构关系。记忆合金无论是应用于普通工业结构器件,还是高科技的人工智能复合机敏元件,在成型加工或服役过程中都不可避免地承受冲击或多次加卸载荷。尽管有研究显示,记忆合金具有典型的粘滞特性[6],但多次加卸载后记忆效应的可恢复性以及应变率对力学性能的影响目前尚不清楚。因此,研究其在不同应变率下的力学行为以及应变历史的影响,对材料性能改进和工程应用都具有重要的意义。

1　实验方法

试验用记忆合金以电解铜、工业纯铝、纯锌、纯锰和铜-锆中间合金为原料,在中频炉中用石墨坩埚熔炼获得。用铁模浇铸成18mm ×150mm ×250mm 扁锭,850℃热轧制成1mm 厚板材,最后经热处理获得需要的试验合金。拉伸试验采用扁平哑铃形试样,为减少机械加工引起的材料组织改变,采用线切割加工方法制备,形状和尺寸如图1所示。合金的化学成分为:Cu -10%(质量)Al -6%(质量)Mn -4%(质量)Zn -013%(质量)Zr ,最终显微组织是只含热弹性马氏体母相β的单相组织如图2所示。每种试验条件下的试样数均为3件

。

图1　拉伸试样形状和尺寸

Fig 11　T he sh ape and dim ensions of specim en for tensile

test

图2　Cu 2Al 2Z n 形状记忆合金显微组织

Fig 12　Microstructure of Cu 2Al 2Z n shape memory alloy

力学试验全部在M TS809拉扭复合材料试验

机上完成。其中,拉伸应变率效应试验的应变率分别设定为01001/s ,0101/s ,011/s 。保载试验的保载应力为300M Pa ;松弛试验的应变值设为01015,所

有保载和松弛时间均为10min 。加载时采用位移控制,速率01001/s ,卸载时采用载荷控制,并分别在每次循环应力最大处保载2min 。

2　试验结果及讨论

211　应变率对CuAl Z n 记忆合金力学行为的影响

图3和图4是单相Cu 2Al 2Zn 形状记忆合金在不同应变率下的典型拉伸应力应变曲线和力学性能指标。从曲线可以看出,在三种试验应变率(01001/s 、0101/s 、011/s )下,材料的抗拉强度R m 和断裂应变εf 随应变率的增加而降低。呈现应变率弱化倾向。高应变率(011/s )下的R m 和εf 分别由应变率01001/s 下的880M Pa 和01120下降到790M Pa 和01106,R m 和εf 的相对降低值均超过10%。可见,只含热弹性马氏体母相β的单相铜基形状记忆合金是一种应变率相关材料

。

图3　不同应变率下的拉伸应力应变曲线

Fig 13　The tensile stress strain curves for Cu 2Al 2Z n

alloy under different strain

rates

图4　不同应变率下的力学性能指标

Fig 14　The mechanical properties for Cu 2Al 2Z n

alloy under different strain rates

但是,在试验应变率01001/s ～011/s 范围,应

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