（固体力学专业论文）形状记忆合金相变过程的实验研究.pdf

摘要 形状记忆合金如镍钛( n i t i ) 和铜铝镍( c u a i n i ) 等已广泛应用在工程、生物材 料和医学等方面，但有关它的一些性质至今还很少研究过，如c u a i n i 单晶在 压缩状态下的相变性质，它的马氏体带的发生、生长和传播过程等。n i t i 单晶 在拉伸和压缩状态下的力学性质等。对于这些现象的研究将有助于理论的完善 和发展。本文的工作正是针对这些问题来研究的。 本文简要介绍了形状记忆合金的基本概念及研究形状记忆合金( s m a ) 的基 本实验方法，介绍了马氏体相变及相变晶体学原理，以及主要的实验方法 云纹干涉法的原理。利用扫描电子显微镜( s e m ) 和透射电子显微镜( t e m ) 分别 获得了二种单晶形状记忆合金的元素比和单晶的析出物。利用m t s 多功能材料 试验机测出了n i t i 单晶和c u a i n i 单晶在特定取向下的拉伸和压缩曲线，对 n i t i 单晶在拉伸和c u a i n i 单晶在压缩状念下的相变带的发生、生长和传播过 程，也利用特别的c c d 观测系统进行了研究。首次获得了c u a i n i 单品在压 缩状念下的二维形貌图。 本文还利用光学显微镜和红外照相机对两种单晶在拉伸或压缩状态下的马 氏体相变带或相界面的传播进行了研究和分析，结果表明，c u a i n i 单品形状记 忆合会在拉伸时，奥氏体和马氏体相界面( a m ) 随着应力的增加，相界面在传播 和扩散。红外照相机所拍摄到的相变时的红外照片表明：相变时，在相变区域 的温度最高，随着应力的增大，热量会随相变带的传播而变化。利用高密度的 四光束云纹干涉法研究了n i t i 单晶在拉伸和压缩状态下的位移场分布和界面的 情况。结果表明，n i t i 单晶的压缩过程是一个不均匀的形变过程，拉伸过程中 则发生明显的相变，单晶界面( a m ) 是不规则的。c u a i n i 单晶的拉伸试验表明， 相界面是有规律的，且相的界面有一定宽度。c u a i n i 的压缩试验表明，马氏体 的变形与拉伸时的变形不一样试验记录了变形的过程，为理论研究提供了新的 物理现象。 关键词：形状记忆合金超弹性形状记忆效应应力引起的马氏体相变 轴向拉伸压缩云纹干涉变形场相变带 a b s t r a c t s u p e r e l a s t i cs i n g l ec r y s t a ln i t ia n dc u a i n ia r eo n eo ft h em o s tp o p u l a rs h a p em e m o r y a l l o y s i nt h ew o r l d t h e yh a v eb e e nw i d e l yu s e di n e n g i n e e r i n g b i o m e c h a n i c sa n dm e d i c a l s c i e n c e b u ts o m eo ft h e i rb a s i cp r o p e r t i e ss u c ha sm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o no fc u a l n is i n g l e c r y s t a lu n d e rc o m p r e s s i o na n da l s ot h e i rg e n e r a t i o n ，n u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft r a n s l b r m a t i o n b a n da r en o tc a r e f u l l yi n v e s t i g a t e d t h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i t is i n g l ec r y s t a lu n d e r u n a x i a lt e n s i l et e s t sa n dc o m p r e s s i o na r ea l s on o ti n v e s t i g a t e dc o m p l e t e l y t h i sp a p e rm o s t l yf o c u s o nt h e s ep r o p e r t i e s t h eb a s i cc o n c e p ta n de x p e r i m e n t a lm e t h o do fs t u d y i n gt h es h a p em e m o r ya l l o y s ( s m a ) a r eb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m et h em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o na n dt h e p r i n c i p l eo ft h ep h e n o m e n o i o g j c a it h e o r y a r ea l s oi n t r o d u c e d t h em a i ne x p e r i m e n tm e t h o d m o i r 6i n t e r f e r o m e t r yu s e di nt h i sp a p e ri si n t r o d u c e db r i e f l y t h er a t i oo f n iw e i g h t a n dt iw e i g h t o ft w ok i n d so f s i n g l ec r y s t a la n dt h ep r e c i p i t a t e o fn i t is i n g l ec r y s t a la r eg o t t e nb yu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( s e m e d a x ) a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( t e m l t h ec u r v eo ft e n s i l et e s ta n dc o m p r e s s i o no f n i t i i n s p e c i a lo r i e n t a t i o na r eg o t t e nb yu s i n gm t s t h eg e n e r a t i o n n u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o n o f t r a n s f o r m a t i o nb a n dn i t is i n g l ec r y s t a lu n d e rt e n s i l et e s ta n dc u a i n is i n g l ec r y s t a la n d c o m p r e s s i o na r es t u d i e db yu s i n gs p e c i a ls y s t e mo fc c dc a m e r a t w o d i m e n t i o n a li m a g e so f m a r t e n s i t i cb a n do f c u a i n is i n g l ec r y s t a lu n d e rc o m p r e s s i o na r eo b t a i n e df i r s t l y t h ep r o p e r t i e so fm a r t e n s i t i cb a n da n da mi n t e r f a c ea r ea l s os t u d i e da n da n a l y z e du n d e r t e n s i l et e s ta n dc o m p r e s s i o nb yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p ya n di n f r a r e dc a m e r a i td e m o n s t r a t e s t h a tt h ea mi n t e r f a c eo fc u a i n is i n g l ec r y s t a ls m e ( s h a p em e m o r ye f f e c t s ) u n d e rt e n s i l et e s ti s p r o p a g a t i o na n ds p r e a d i n ga l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fs t r e s s t h ei n f r a r e di m a g e sd e m o n s t r a t e t h a tt h et e m p e r a t u r eo ft r a n s t b r m a t i o na r e ao fs i n g l ec r y s t a li sh i g h e s t t h eq u a n t i t yo l h e a ti s c h a n g i n ga l o n gw i t h t h ei n c r e a s i n go fs t r e s sw h e nt h et r a n s f o r m a t i o nb a n dp r o p a g a t e s t h e d i s p l a c e m e n tf i e l da n da - mi n t e r l a c eo fn i t is i n g l ec r y s t a lu n d e rt e n s i l et e s ta n dc o m p r e s s i o na r e s t u d i e db yu s i n gh i g hs e n s i t i v em o j 托i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e i ti n d i c a t e st h a tt h et r a n s f o r m a t i o no f n i t is i n g l ec r y s t a li sn o tw e | id i s t r i b u t e du n d e rc o m p r e s s i o n b u tt h eo b v i o u st r a n s f o r m a t i o ni s h a p p e n e du n d e rt e n s i l et e s t a n dt h ea mi n t e r f a c ei sn o tr e g u l a r a tt h es a m et i m e t h ea m ；n t e r f a c eo fc u a i n is i n g l ec r y s t a ls m ei sr e g u l a ru n d e rt e n s i l et e s ta n da l s ot h ea - mi n t e r f a c eo f c u a i n ih a st h ew i d t hu n d e rt e n s i l er e s t t h ed e f o r m a t i o no fm a r t e n s i t eu n d e rc o m p r e s s i o ni sn o t a st h a to fu n d e rt e n s i l et e s tw h e nc u a i n is i n g l ec r y s t a ls ei sc o r n p r e s s e d t h ep r o c e s so f t r a n s f o r m a t i o ni sr e c o r d e db ym o i r gi n t e r f a c et e c h n i q u ea n di tp r o v i d e st h en e wp h y s i c a l p h e n o m e n o nf o rs t u d y i n gt h e o r yo ft r a n s f o r m a t i o no fc u a i nis i n g l ec r y s t a lu n d e rc o m p r e s s i o n k e yw o r d s ：s h a p em e m o r ya l l o ys u p e r e l a s t i c i t y s h a p em e m o r ye f f e c t s t r e s s i n d u c e d m a r t e n s i t i cu n i a x i a l e n s i o n c o m p r e s s i o nm o i r 亡i n t e r f e r o m e t r y d e f o r m a t i o nf i e l d t r a n s f o r m a t i o nb a n d 同济大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ) ( 以下简称s m a ) 作为一种新型功能材料 越来越受到重视i | 1 1 2 1 13 i 。上个世纪3 0 年代，人们就发现某些合金在加热与冷却过 程中，马氏体会随之收缩和长大。1 9 6 3 年美国海军武器实验室( n a v a lo r d i n a n c e l a b o r a t o r y ) 的w j b u e h e r 博士研究小组发现了等原子比n i t i 合金具有良好的 形状记忆效应。1 9 7 0 年，美国首先将n i t i 形状记忆合金用于宇宙飞船天线。 从1 9 8 4 年起，日本每年发行一次“形状记忆合金专利调查报告书”，每年申请 的形状记忆合金专利项目约1 0 0 0 件，应用领域涉及甚广1 引。 有关形状记忆合金的应用均是基于形状记忆合金的特殊的性质，无论是单 程记忆效应、双程记忆效应或是伪弹性等性质，实际均是在一定的条件下发生 的马氏体( m a r t e n s i t e ) 相变。而马氏体相变又分为热引起的马氏体相变和应力 引起的马氏体相变，在相变过程中均要产生新的相，即马氏体相。马氏体相( 基 体相为奥氏体相) 的产生、生长和传播的过程一直是人们非常关心的问题，有 关奥氏体一一马氏体( a m ) 界面的研究从很早就丌始，这将在第二章中详述。长 期以来，无论在理论界还是在实验中，人们有一个基本的假设就是不变面的假 设，尽管在理论上并不能很好地解释，但基于这一假设，却能解决许多问题， 最近的实验中，在有关c u a i n i 单晶的应力引起马氏体相变中，在超弹情况下， d r s u n i “l 等人发现了非不变面，这是对传统的理论的挑战，引起理论界的重视。 马氏体相变是在同一基体上，在一定的外界条件下( 如热、应力等) 产生 的新的相，而新的相的成份却与基体一样，只是晶体的结构发生了变化，并且 在一定的条件下( 如应力去除，热的变化等) 都能够产生逆相变。在相变过程 中一定存在一个界面( 即a m ) 问题，由于界面问题的复杂性( 与不同材质的 复合材料不一样) ，其理论研究都是基于各种假设条件和力学模型而提出的。工 作也大多集中在理论分析和数值计算方面，不同的假设和方法之间存在很大差 异，特别是在这一材料开始失稳的情况下，很难在理论计算中体现出来，也很 难解释这现象，这就迫切需要从实验中发现相界面的发生、生长和传播的规 律，为理论研究提供依据。 利用不同的实验方法和手段对界面问题进行研究近年来进行得较多，光弹 性方法1 、数字相关技术、云纹干涉法i h ) - 17 1 以及由此而派生的多种方法。云纹 干涉法以其高灵敏度的优势在界面问题研究中得到了较为广泛的应用。同时新 第一章绪论 的实验技术的不断运用和发现，也为界面问题的实验研究提供了多种选择，或 者几种手段相结合而使实验的结果更加直观和可信。由于电子技术的发展和计 算机技术快速发展，在界面问题的研究中，运用新的实验方法已经可以获得与 云纹干涉法同样数量级的精度，而且更加方便和快速。但要进行全场、实时、 高灵敏度观测，云纹干涉法则表现出其独特优越性。 本文将运用云纹干涉法对马氏体相变时的相发生、生长和传播过程进行研 究，并结合光学显微镜，红外相机以及电子显微镜等技术对两种不同的形状记 忆合金进行研究，从而发现不同界面生长、传播方式，为进一步的理论研究打 下基础。 1 2 云纹干涉法简介 云纹干涉法( m o i r ei n t e r f e r o m e t r y ) 是在经典云纹法基础上发展起来的一种 光测的新方法，它继承了经典云纹法的简易性、全场性、实时性、条纹定域在 表面及不受试件材料限制等优点，它的灵敏度高( 0 2 5 i ，t m ) ，条纹反差好，越来 越受到实验力学工作者的重视 1 8 - 2 8 l 。云纹干涉法主要是用来测量面内位移，它 能够得到透明及不透明物体的全场位移信息，也可用于应变场的测量。 云纹干涉法的名称是在1 9 7 9 年才出现的1 2 9 i ，当时采用白光作光源，因而试件 栅和参考栅都是实光栅。1 9 6 7 年d p o s t 利用光栅的衍射，采用云纹倍增法来提 高云纹法的测量灵敏度，得到了较好的效果1 3 0 - 3 1 i 。1 9 7 0 年b o o n e 用两束平行相 干光照射贴有底片的试件，在试件上形成平行条纹，试件受力变形后，再曝光 一次，得到了两次曝光的云纹条纹【3 2 1 ，1 9 7 1 年c o o k 把贴在试件上的底片改成 在试件表面涂一层光刻胶，经过试件变形前后的两次曝光，在试件表面上形成了云 纹m i 。1 9 7 3 年，n w a d s c o r t h 等把涂有光刻胶的试件放在了双光束干涉的光路 下曝光、显影，同时把处理过的试件复位，放在原来的曝光光路下，当试件再 次变形时，即得到实时条纹f 3 4 1 ，1 9 8 0 年以后，云纹干涉法的研究得到了迅速的 发展，对云纹干涉法的基本原理和实验技术问题，提高云纹干涉法的测量灵敏 度和精度等，广大科研工作者做了许多的工作，使其趋于成熟1 3 5 - 3 7 l 。 戴福隆等1 2 4 1 于1 9 8 4 年利用波前理论科学解释了云纹干涉法原理，进一步完 善了云纹干涉法的理论。云纹干涉技术不仅在面内位移及位移导数场的测量方 面得到发展，在三维位移场，位移导数场方面也得到发展，1 9 8 1 年，b a s e h e r e 和d p o s t l 2 6 1 用全息云纹干涉法测量得到了离面的位移场，1 9 8 2 年又提出面内位 移场和离面位移场同步测量的云纹干涉法【3 7 l 。近年来，国内外学者在测试灵敏 2 同济大学博士学位论文 度方面也对云纹干涉法进行了研究，根据物理学的相关理论，参考虚栅频率的 理论上限为4 0 0 0 线毫米，对应于云纹干涉法测量灵敏度的理论上限为每条条 纹代表0 2 5 9 m 的位移p 引。 云纹干涉法得到的是物体变形后的位移场、位移导数场，因而在固体力学 测试中有着很广泛的应用，可以测定材料的本构关系1 4 0 i ，标定电阻应变片i 、 残余应力的测量1 4 2 4 4 i 、研究界面力学问题”4 54 6 1 等。本研究中就是利用云纹干 涉法的直观、实时、可靠等特点，研究形状记忆合金这类功能材料在应力引起 相变时的变形过程。 1 3 云纹干涉法的基本原理及本研究所采用的方法 云纹干涉法是将物理现象应用到实验力学测量领域。它不同于利用材料双 折射效应产生应力光图的光弹性法，也不同于利用相干光空间相干产生等位移 条纹的全息干涉法和散斑法，它是一种非相干光学测量法。云纹干涉法的设备 简单，操作方便，适用的测试范围很广，可以在不同的工作条件下对各种对象 进行测试，如弹性和塑性，常温和高温，静载和动载，大变形和小变形，透明 或不透明材料均可。在高温、塑性、大变形的测试中，云纹法的优越性特别明 显，特别是新的实验方法和计算机的快速发展，为条纹的判读、分析提供了更 快、更直观的方法。 1 3 1 云纹干涉法基本原理 云纹干涉法的基本原理是：制备在试件表面的高频光栅随试件的变形而变 形，当两束准直光以不同的角度照明试件栅，由光栅产生的衍射波相互干涉， 得到含有试件( 物体) 表面位移信息的干涉图。把高频位相型光栅复制在试件 上( 本实验采用1 2 0 0 线毫米的正交栅) ，当一束平行光入射到试件表面即发生 衍射现象，衍射的级次为0 ，l ，2 ，3 ，如图1 1 所示。每一级衍射光在 试件变形前为理想平面波。入射光的衍射方向由光栅方程所决定： s i n d m = m l f + s i n o( 1 - 1 ) 式中d 。为衍射角，m 为衍射级次，f 为试件的栅频，e 为入射角。 一般在实验中使用两束平行光a 和b 对称入射，调整入射角0 的大小，使a 的+ 1 和b 的- l 级衍射光的衍射方向均为试件栅的法线方向。假设a 和b 分别 表示a 和b 一级衍射波的波前，这两个一级衍射光束形成频率为f f = 2 f ) 的虚光 栅，产生云纹干涉条纹。 第一章绪论 图i - ! 波前干涉原理图 如图l - 2 所示，假定a ”是翘曲波阵面，它与平面的偏离是光滑而连续的， 波阵面b ，仍是平面，如将照相机或全息干板放在两束光中，它将采集到一幅条 纹图。两列波之间的干涉将产生如图1 - 2 ( b ) 所示的条纹。 ( a ) ( b ) 豳i - 2 双光束干涉条纹图 条纹的对比度与入射光束的光强比有关，一般情况下光束a 和b 的强度不 相等，且位相也不相同，假定其中一束为2 n o ) t ，另一束为2 7 t ( t + s 肌) ，则其总 光强： l = i a 七lq 七2 4 1 a l8c o s 2 x ( s 2 、l 1 - 2 、) s 一同相波阵面间的间隔，九波长。 这是任意两个相干波列干涉或叠加的一般表达式。合成光强i 与光程差n = s 肌 的关系如下图所示。 4 l 咽 同济人学博士学位论文 图i - 3 双光束干涉中光强与光程差s l y 的关系图 ( a ) i t l z = l ；( c ) ! l ，1 2 = 4 ；( e ) 1 1 1 1 2 = 1 6 ；( g ) i j l 2 - - 1 0 0 一n 丝三 g2 g 图1 4 在两相干光束重合处，相长和相消干涉的空间分布 图1 4 为两相干光束重合处，相长和相消干涉的空间分布，图中w ，w ，为 两个波阵面，每个波列的波阵面间隔为九。在纵坐标上标有a 。和a ：的两条调和 曲线，分别表明这两列波在给定时刻的振幅空间分布。( p 和( p ：的两个位相是相 同的。图中的波阵面并不是一些线，而是一些垂直于图面的平面。如果将全息 干板放置在b b 位置，它将得到图1 5 所示的条纹图。 前 第一章绪论 s 九= n = 0 ，l ，2 ，3 ( 1 3 ) 式中的n 称为干涉条纹级数，简称条纹级数。上式表明，条纹图就是波 阵面w ；和w ：的间距s 的等值线图，两相邻等值线的值相差一个波长九，s 是 沿任一波列的行进方向量度的。 一 ，- - - - - - - - i q 一_ _ i 囊豳 址 j 一 叠期 。_ _ ，o i 图i - 5 干涉条纹图 如果两束相干光的强度不相等，那么各点的合成光强将如式( 1 2 ) ，拍摄的 暗条纹是灰色阴影而不是黑色的。表1 1 列出了一些光强比不同的双光束干涉 情况下，条纹可见度的参数。参数以光强比i m j l 。i 。和反差的形式给出，反差定 义为： 反差：生量1 0 0 ( 1 - 4 ) 1 m a x 由此可见，良好的条纹反差并不一定要求等强度双光束干涉，如两束相干光的 光强比为4 ：1 时，所得的条纹反差还是很好，为8 9 。 表l - l 非等强度相干光的双光束干涉 双光束输入输出：相干光合成的结果 情形i , 1 2 或am z a 2 2 i , d l 。i 。反差( ) l 式( 1 _ 4 ) i a i1 0 0 b 2 3 4 9 7 c 498 9 d94 7 5 e1 62 86 4 f2 52 2 5 6 2 1 0 01 53 3 6 同济大学博士学位论文 1 3 2 云纹干涉法的灵敏度和精度1 4 7 i 采用云纹干涉法，变形试件栅的上1 级衍射光相互干涉形成云纹条纹，其 测量灵敏度达到了波长的量级。云纹干涉法的灵敏度可定义为每条条纹所表示 的位移量，即u n ，或v 饥，根据后面的公式的计算，灵敏度即为虚栅频率f 的 倒数。它的理论极限为： ，) 。雏= _( 1 - 5 ) 如果以目前所用的最大波长激光光源为h e - n e 激光器，其波长为6 3 2 8 n m ，则f m 。、 为3 1 6 0l m m ，测量灵敏度为0 3 1 6 9 m 。近年来，一些学者在提高云纹干涉法的 灵敏度极限方面做了许多工作，如条纹图的计算机数字处理和光学倍增等。 影响测量精度的因素有：方法本身的误差和实验技术不当带来的误差。如 初始试件栅和参考虚栅不匹配，产生初始条纹，就会影响测量精度。这可以提 高试件栅的质量，合理布置光路就可以减小初始条纹的影响。又如离面位移的 影响，在具体的实验中，为了消除离面位移对面内位移条纹的干扰，在云纹干 涉法光路中，采用双光束对称入射试件栅，但是当试件变形后，原来对称入射 的双光束将不会是严格的对称，试件栅的正负一级衍射将会偏离它的法线方向 传播，此时的离面位移会对面内位移的测量精度有所影响。再如载波条纹的影 响，在加载过程中，试件不可避免地产生面内移动和离面的移动，在位移场条 纹图中就会出现旋转载波条纹和拉伸载波的条纹。这种载波条纹通常比由载荷 引起的位移条纹更加密集，旋转载波条纹垂直于试件栅栅线方向，对正应变的 测量几乎无影响，若同时记录u ，v 两个位移场，旋转载波对剪应变的影响通常 可以在! 婺和譬两者求和的过程中抵消。拉伸载波条纹平行于栅线方向，对剪 砂 僦 应变分量的测量几乎无影响，但这种拉伸载波对面内正应变的测量则有影响。 当然，条纹的质量等也会影响到精度。 1 3 3 试件栅的制作1 2 0 i 试件栅的制作可分为两类：光栅复制法、直接制栅法。本文采用光栅复制 法制作试件栅。 7 第一章绪论 删逛匿薯 蔷鑫篱函圈醢圜豳嘲 s i , ：c i m c n l i q u i de p o x s p e c i m e na n dg r a t i n ? 。 0 w m 夕 图1 6 试件栅的复制 所用树脂为环氧树脂型号为b i p a xb a f 2 11 ，光栅为1 2 0 0 线毫米的正交 栅。 1 3 4 云纹干涉面内位移场的实时观测 云纹干涉法可以测量全场面内位移，具有很高的灵敏度，且可以对面内位 移进行全场实时观测，图1 7 所示为本文所用的四光束云纹干涉原理图。 图1 7 四光束云纹干涉系统示意图 如图1 1 所示，根据波前干涉原理，当两束对称入射光波a 和b 的入射角0 与入射波的波长九及虚栅的频率f 符合以下关系 8 同济大学博t 学位论文 厂：2 s _ i n o ( 1 - 6 ) = _ - 一 则将获得沿试件表面法线方向的a 的正一级和b 的负一级衍射光波。如两 束对称入射的光波为准直光，试件栅十分规整，试件也未受力，则两个正负一 级的衍射波a 与b 可视为平面波，并分别表示为： 怍船，=j(1-7)b l = a e 胛” 式中a 为振幅。 当试件受力发生变形，平面波变为翘曲波前a ”和b ，表示为： fa ”= 口p f f + 九。y ) l b 一，w 圳j(1-8)aedn l = + 九。，川 、7 式中巾 ( x ，y ) 和巾b ( x ，y ) 是由于表面位移而引起的位相变化。 两束衍射波前经过成象系统以后在照相底板上发生干涉，这时的光强可表 示为： ，= ( a ”+ 召”) ( 彳”+ b ”) 木 ：4 a 2c o s - ：1 【口+ 万( x ，j ，) 】 ( 1 - 9 ) 式中0 c = v a v b ，8 ( x ，y ) = 机( x ，y ) 一巾b ( x ，y ) ，0 是两束平面波a 和b 的初始位相差， 为常数。8 ( x ，y ) 为试件变形以后两束翘曲衍射波前的相应位相变化。 6 ( x , y ) ：孥甜( lj ，) s i n 口 ( 1 1 0 ) 当6 ( x ，y ) 为2 x 的整数倍时，即 8 ( x ，y ) = 2 x n 。 ( 1 1 1 ) 将出现亮条纹，式中n 。为条纹级次。根据以下的公式可求得： u ( x ，y ) - n 、f ( 1 1 2 ) 为了获得另一面内位移分量v ( x ，y ) ，只需将四光束干涉仪中的另两束光遮住 即可，其表达式为： v ( x ，y ) _ n y f 根据弹性力学平面问题的应变与位移的关系式1 9 ( 1 1 3 ) 第一章绪论 云纹条纹与应变的关系1 4 9 i o u 占j2 _ 珊 锄lo n 。 苏 厂甜 o v1o n ， t ” 砂砂 驴考+ 塞= 专c 警+ 警， y ，2 _ + i = 了【+ _ j。 卵出，咖出 ( 1 - 1 4 ) ( 1 1 5 ) 1 4 形状记忆合金的基本知识及其应用 1 4 1 形状记忆合金的发展史 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ) 作为一种新型的功能性材料为人们所认 识，并且成为一门独立的学科分支，是始于1 9 6 3 年。美国当时的海军武器实验 室( n a v a lo r d i n a n c el a b o r a t o r y ) 的w j b u e h l e r 博士研究小组，在偶然的情况 下发现t i n i 合金因为温度的不同，敲击时发出的声音也不同，说明该合金的声 阻尼性能与温度相关。后来进一步研究发现，近等原子比t i n i 合金具有良好的 形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ) ，并报道了通过x 射线衍射等实验的研究 结果1 5 0 j 。实际上，早在上个世纪3 0 年代美国哈佛大学的a b g r e n i n g e r 等学者 报道，c u z n 合金在加热与冷却过程中，马氏体会随之收缩与长大【引i 。19 4 8 年 苏联学者库尔文久莫等预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马 氏体相变【5 2 l 。后来t a r e a d t 5 3 i ，m w b u r k a r t 在i n t i 合金中也发现了可逆的相 变1 5 4 i ，但均未引起足够的重视，直到1 9 6 3 年发现t i n i 合金具有记忆效应之后， 这一领域的研究才进入了一个新的阶段。 到了上个世纪的7 0 年代，又发现了c u a i n i 合金也具有良好的形状记忆效 应。到了8 0 年代左右，对形状记忆合金的形状记忆效应机制，以及和形状记忆 效应有关的相变的伪弹性效应( p s e u d o e l a s t i c i t y ) 机制开展了大规模的研究。发 现了凡是具有完全形状记忆效应的合金都具有相变伪弹性效应。同时还发现了 具有双程记忆效应( t w ow a ys h a p em e m o r ye f f e c t ) ，全方位形状记忆效应( a l l l o 加一次 + 塑砂丝砂 = i i 钆 比 同济大学博上学位论文 r o u n ds h a p em e m o r ye f f e c t ) ，还发现了逆向形状记忆效应( i n v e r s es h a p em e m o r y e f f e c t ) 。首次发现了某些合金在相变过程中存在中间相，即r 相变1 0 2 1 。利用中 间相相变的可逆性，可以缩小温度滞后，改善材料的疲劳寿命和记忆效应的稳 定性。 形状记忆合金这一功能材料的发现，对一些传统观念如金属是热胀冷缩、 金属的弹性变形是线性关系等是一挑战，常用的虎克定律在这一材料中亦不适 用。除了基础研究外，产业界也非常重视这一发现，形状记忆合金在应用开发 中申请的专利已超过万件，可以说，在我们的生活中已经常可以看到或使用到。 它所涉及的领域包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家 电以及日常生活用品，几乎涉及产业界的所有领域。 1 4 2 形状记忆合金简介 首先介绍形状记忆合金的几个基本概念。 l 、形状记忆效应 如图l 一8 所示为普通的金属材料和形状记忆合金的应力一一应变曲线，从图 中可以看到，一般的金属材料在受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈 服点a 后，金属就产生塑性变形，当应力消除后就留下永久性的变形。而具有 形状记忆效应的合金一般是由两种或两种以上的金属元素所组成。在发生了塑 性变形后，经过加热到某个温度之上时，又能够回复到变形前的形状。一般情 况下，马氏体相变中的高温相叫做母相( a ) ，低温相叫做马氏体相( m ) ，从母相 到马氏体相的相变称为马氏体正相变或马氏体相变，从马氏体相到母相的相变 称为马氏体逆相变。马氏体的逆相变中表现出的形状记忆效应，不仅晶体结构 完全回到母相状态，晶格的位向也完全回复。 “) 蕾通金曩豺辩 应变一 b ) 形状记忆舍金 图1 8 形状记忆效应 第一章绪论 2 、马氏体相变的种类 形状记忆合金在冷却过程中，通常将马氏体相变开始时的温度记为m 。，结 束时的温度记为m ，而在加热过程中，将马氏体逆相变开始时的温度记为a ；， 结束时的温度记为a ，。马氏体相变可分为热弹性马氏体相变( t h e r m o e l a s t i c m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ) 和非热弹性马氏体相变，它是根据相变时正、逆相 变的温度滞后大小( a s - m ；) 和马氏体的长大方式区分的。形状记忆合金的马氏 体相变到属于热弹性马氏体相变。 3 、应力诱发马氏体相变 形状记忆合金在外部应力的作用下，由于诱发产生马氏体相变而导致合金 的宏观变形，是剪切变形。这是合金的一种变形模式。它是由外部应力诱发产 生的马氏体相变，称为应力诱发马氏体相变( s t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n ) 。形状记忆合金在a ，温度以上产生应力诱发马氏体相变，一般 都会表现出伪弹性效应。图1 9 为一典型应力一应变曲线。这是在t a ，时的曲 线，应力消除后，应变量回到零，并出现了迟滞迥线，m 点和试验时的温度有 关，试验温度越高则m 点也越高。但是超出了临界滑移应力后，由于产生滑移 就不再表现出完全的相变伪弹性。 s t r a i n ) 图i - 9 形状记忆合金的应力j 应变曲线 4 、相变伪弹性( 超弹性) 如图1 1 0 所示为c u a i n i 单晶的应力一应变啦线，当母相p 。受应力作用转 变成马氏体相后，继续增大应力，f 马氏体相将逐渐单晶化，转变为另一种 马氏体口：，当应力去除时，马氏体相将按照口：专j p 。的路径回复到母相。在 t a ，时应力诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在。应力解除后将 产生逆相变，重新回到母相状态，而在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变 而消失。应力与应变的关系表现出了明显的非线性，这种非线性弹性和相变密 1 2 同济大学博l 学位论文 切相关，就称之为相变伪弹性( t r a n s f o r m a t i o np s e u d o e l a s t i c i t y ) ，亦称之为超弹 性。实际上形状记忆合金的相变伪弹性和形状记忆效应在本质上是相同的，相 变伪弹性在应力解除后产生马氏体逆相变使形状回复到母相状态，而形状记忆 效应则是加热产生逆相变回复到母相状态。 一 一 厶 芝 - 一 r 翻 擘 积 图l 1 0c u a i n i 单晶的相变伪弹性 1 4 3 形状记忆合金的应用 在形状记忆合金的应用中，最早获得专利的是美国的m u l d a w e r 小组，他们 在1 9 6 0 年用c d a g a u 合金制作了温度开关m 1 。从t i n i 合金的形状记忆效应被 发现后，应用开发的速度加快，专利项目也剧增。下面分别介绍形状记忆合金 在工业和医学上的典型应用1 5 6 i 。 1 、皮带轮式热机 低置 高沮相变曩度 图i - ! i 皮带轮式热机 图1 1l 为t a n a k a 研制的皮带轮透平式热机，将t i n i 合金做成板条状，连续 处于高温和低温两种状态的两个带轮。浸没于高温水中的用黄铜制成的带轮直 径为3 0 m m ，在低温空气一侧的，用丙烯做成的带轮直径为1 0 5 m m ，两个带轮 第一章绪论 的间距可随带的长短进行调节，当用形状记忆合金做成的轮带与高温处带轮接 触后，温度上升到相变温度以上，即t a ，时，产生了如图虚线所示的变形，并 产生变形应力。依靠带与轮之f b j 的摩擦使带轮朝箭头方向旋转。这一巧妙的设 计考虑到了形状记忆合金和高、低温热源的热传导关系，两个带轮分别处于高、 低温热源中，轮带和带轮直接连接，由于固体的热传导率高，这样的热机能达 到高速旋转。该热机的低温源采用空气，高温侧的带轮用黄铜制成，当将高温 水撤走，黄铜带轮还能在相变温度以上保持一段时间，使得带轮继续转动，据 说在日本的市场已有利用此原理制成的玩具汽车等。 2 、紧固销钉 一般部件之间的连接固定采用铆钉、螺栓等连接件，但当对面一侧用手无 法进入、无法作业时就困难了。利用形状记忆合金材料回复形状的任意性，将 它做成销钉。它的原理如图1 1 2 所示，形状记忆处理时，在高温相使记忆成( a ) 图形状，并设定a ，小于室温。在作业前，将销钉浸入干冰中充分冷却，并将弯 曲的端部弄直，如图( b ) 所示，放入要连接的部件孔内，如图( c ) 所示，放置一定 时间，销钉升至室温，发生形状回复，就会产生如图( d ) 所示的效果。 硝譬哺： la ) 成形形状记t z ( b ) 把端部变1 1 ； c 辆入( d ) 加热火紧 圈1 - 1 2 形状记忆合金连接销钉动作原理 3 、牙齿矫形正畸丝 形状记忆合金作为一种不仅具有形状记忆效应，同时具有相变伪弹效应的 新型智能材料，在医学领域的应用研究十分广泛，在医学上的主要领域为： ( 1 ) 牙科，只和生物体表面接触； ( 2 ) 整形外科，移植到生物体内部，长时间和生物体组织接触； ( 3 ) 医疗器具，和生物组织不直接接触。 为了矫正牙齿的前后不齐、啮合不正的畸形，过去都是用一个托架连在牙 齿上，然后用有弹性的合金丝( 如不锈钢和c o c r 合金等) 穿过托架预先设置 的缝槽和牙齿直接接触，利用金属丝的弹性使错列不齐的牙齿移动一定的位置。 1 9 7 8 年a n d r e a s e n 等利用t i n i 合金加工硬化后所具有的超弹特性，发明了 t i n i 合金丝的牙齿矫形正畸丝l 卯i 。日本、中国等都相继开发了形状记忆合金的 矫正丝代替传统的合金丝。 如图1 1 3 为不同牙齿矫形合金丝的载荷一位移曲线的比较。从图上可看 1 4 同济大学博上学位论文 出，不锈钢和c o c r 合金的弹性系数大，弹性范围小，但是两种类型的t i n i 合 金的弹性系数比较小，而弹性范围则很大；不锈钢和c o c r 合金相对于很小的 位移，载荷的变化很大，而t i n i 合金相对于小的位移，载荷变化很小，对超弹 性t i n i 合金在很大的范围内，相对于不同的位移，载荷可以不发生变化。同时 不锈钢和c o c r 合金比较容易产生永久变形，而t i n i 合金不容易发生。 1 5 0 0 乞1 0 0 0 繇 g 5 0 0 0 夕i ，名嗍心t ；n ； 夕刁篇啸金 磊爹篓蒜 0 。5i 0 - 1 52 0 变位( r a m ) 图1 - 1 3 不同牙齿矫形合金线的载荷一位移曲线 1 5 目前有关形状记忆合金的研究及实验方法简介 目前，有关形状记忆合金的研究非常热，主要是由于这种材料的特殊性质 以及在很多领域的广泛应用。每年发表的有关文章总在千篇以上，归纳起来， 有关研究的领域主要包括：( 1 ) 形状记忆合金本身的研究，如工艺、技术、方 法及加工过程中的一些问题。如很早就有人将形状记忆合金做成多孔1 5 8 - 5 9 1 ，这 样它在医学等领域的应用范围将更加广泛 6 0 - 6 1 1 ，国内也有这方面的研究1 6 2 7 0 7 i 。 ( 2 ) 有关形状记忆合金相变的理论研究，这方面的工作尤其多0 孓0 5 1 。( 3 ) 形状 记忆合金相变的实验研究【i3 2 。”1 ，主要是观察形状记忆合金在拉伸、压缩过程中 的相变机理等1 1 0