（工程力学专业论文）TiNi相变固支梁的冲击响应研究.pdf

摘要 摘要 由于相变材料独特的力学性能，在工程中已经得到了广泛的应用，其材料性 能的研究也相对成熟，然而对于相变材料结构件的力学性能研究，特别是在冲击 载荷下的响应的研究却十分匮乏。相变结构的冲击特性研究无论在应用上还是学 术上都具有重要意义。本文主要以固支梁作为研究对象，从实验和数值模拟两个 方面，对具有相变特性的t i n i 合金固支梁的冲击响应进行了较为系统的研究，发 现了一些新现象和新规律。主要结果有： 采用实验和数值模拟方法，研究了大质量低速冲击下的p e 状态的t i n i 合金 固支梁的动态响应问题。通过对相变铰以及弯矩、轴力在动力响应过程中演化规 律的分析，阐明了大质量低速冲击下相变固支梁的动力响应模式和相变对变形机 制的影响。研究结果表明：固支梁的早期响应以弹性弯曲波传播的波动响应为主， 弹性弯曲波在梁内往复传播约3 5 次后，构件逐渐过渡到以整体结构响应为主。 载荷作用下弹性弯曲波逐渐发展成为相变弯曲波，最终在撞击点和固支端形成相 变铰。相变铰的形成使应变和能量沉积明显局部化，使得梁成为一个二杆铰接运 动机构，中性面偏移，梁的变形演变为铰的转动和杆的拉伸变形，轴力成为主要 因素。大质量低速冲击下固支梁的响应阶段分别为：弹性弯曲波的的传播和反射： 弹性结构响应；局部相变；相变铰形成演化；相变铰的移动；杆机构的形成。局 部相变将使得响应出现局部化特征。相变铰的形成使得梁绕铰转动，导致铰区外 的弯矩迅速降低；同时对梁内的高频弯曲波的传播具有抑制作用。当相变铰处的 材料进入马氏体相后，相变铰将分裂并移动。卸载时，相变铰消失，梁回复至初 始态，这一点不同于传统的理想弹塑性梁。 利用改装的s h p b 装置，对处于p e 状态的t i n i 固支梁、铰支梁进行了小质量 高速横向冲击实验，同时对固支梁进行了非对称撞击。实验结果表明：整个响应 过程，波动响应和结构响应的时间分解点大约为l m s 。波动响应阶段，固支梁在 高速冲击下的响应特征为高幅值的弯曲波传播。通过与反射波的叠加将在局部特 定时刻产生相变，由于该相变区相变含量较低，并不稳定，随时间的增加将会消 失。结构响应阶段，将会形成相变弯曲波的传播。不同速度冲击下，弯曲波动阶 段表现为传播的弯曲波幅值增加，将引起结构响应阶段的相变含量分布不同。对 于铰支梁，高速冲击下将会产生高频低幅值的弯曲波传播。这些高频低幅值的弯 曲波将使得撞击位置形成相变铰的时间增加。对于非对称撞击，对于距离撞击位 置较小的一段，将会在撞击点和固定端形成两个大的相变区，中间为弹性区，对 于较长的一段，在中间可能形成相变铰，呈现与固支梁对称撞击不同的特性。由 摘要 于温度效应，使得相变区域扩展，没有形成理想的二杆铰接机构。表明相变产生 的温度升高将使得相变铰硬化，同时相变使得材料软化，二种效果的综合效应需 要进一步的研究。 通过数值计算研究了不同质量比和不同冲击速度下相变固支梁的响应，结果 表明，波动阶段受冲击速度影响较大，基本与质量比无关。结构响应与冲击能量 相关，随着冲击能量的增加，将会使得结构从铰接曲梁机构向二杆铰接机构转变。 轴力产生是动态冲击下固支梁结构响应的固有属性。轴力的产生使得输入能量大 部分以拉伸变形能的形式存储。 研究了阶跃载荷作用下无限长梁的弯曲波动问题，同时利用数值计算方法研 究了不同幅值阶跃载荷作用下t i n i 合金固支梁动态响应。利用模态叠加法得到 了固支梁、简支梁在阶跃载荷作用下的弹性弯曲波解析解，并与数值计算结果进 行了比较。比较结果表明：在0 0 1 m s 内误差较大，这是由于初始阶段主要激起 的是高频弯曲波的传播，我们采用有限模态叠加，所以误差较大；其他时间范围 吻合程度较高。这说明我们数值计算结果的有效性。对剪切和转动惯量的影响进 行了讨论，结果表明，对我们所研究的梁可以采用e u l e r 理论进行描述。利用2 m 长的梁模拟了无限长梁的弯曲波动响应。得到了1 f c 、2 f c 、以及4 f c 阶跃载荷 作用下的弯曲波动响应以及相变响应。利用上述结果考察了相变对弯曲波传播的 影响。结果表明，相变对弯曲波的传播具有抑制作用。在高幅值阶跃载荷作用下， 相变会发生在波动阶段，低幅值载荷作用下相变会发生在结构响应阶段；阶跃载 荷作用下，能量的耗散幅值随输入能量的增加而增加；响应过程中，梁的惯性力 具有重要作用；最终梁的响应表现为围绕平衡位置的振动。 关键词：相变结构冲击固支梁弯曲波相变铰 a b s t r a c t a b s t r a c t p h a s et r a n s f o r m a t i o nm a t e r i a lh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gf o ri t s p e c u l i a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h es t u d yo fm e c h a n i c a lp r o p e r t yi sr e l a t i v e l ym a t u r e ， b u ti ti sv e r ys h o r to ft h es t u d yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n s t r u c t u r e s ，e s p e c i a l l yt h er e s p o n s eu n d e ri m p a c tl o a d i n g t h es t u d yo ft h ei m p a c t c h a r a c t e r i s t i c so fp h a s et r a n s i t i o ns t r u c t u r ei ss i g n i f i c a n ti nb o t ha p p l i c a t i o na n d a c a d e m i c i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fe n d c l a m p e dp h a s et r a n s f o r m a t i o n b e a mi s s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya n dn u m e r i c a l l y , a n ds o m e i n t e r e s t i n gp h e n o m e n aa n dr e g u l a r i t yh a sb e e nf o u n d t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ep ee n d c l a m p e db e a mu n d e rl a r g em a s sl o ws p e e d i m p a c tl o a d i n gi si n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fp h a s et r a n s f o r mc l a m p e db e a ma n dt h ee f f e c to ft h ep h a s e t r a n s f o r l no nt h ed e f o r m a t i o n a lm e c h a n i s mi si l l u s t r a t e di nd e t a i lb yt h ea n a l y s i so f e v o l u t i o n a lr e g u l a t i o no fp h a s et r a n s f o r m a t i o nh i n g e ，m o m e n ta n da x i a lf o r c ei nt h e d y n a m i cr e s p o n s e t h ee a r l yr e s p o n s eo fe n d c l a m p e db e a mi sm a i n l yt h ep r o p a g a t i o n o fe l a s t i cf l e x u r a lw a v e t h ed y n a m i cr e s p o n s ew i l lm mt os t r u c t u r a lr e s p o n s ea f t e r t h e3 - 5r e c i p r o c a t ep r o p a g a t i o no fe l a s t i cf l e x u r a lw a v ei nt h eb e a m 。t h ee l a s t i c f l e x u r a lw a v ei sg r a d u a l l yt u r nt op h a s et r a n s f o r mf l e x u r a lw a v eu n d e rt h ei m p a c t l o a d i n g ，w h i c hw i l ll e a dt ot h ef o r m a t i o no fp h a s et r a n s f o r mh i n g ei nt h em i d a n de n d o ft h eb e a m t h es t r a i na n de n e r g yd e p o s i t i o nw i l lb el o c a l i z a t i o nd u et ot h ef o r m a t i o n o fp h a s et r a n s f o r mh i n g e ，w h i c hf u r t h e rl e a d t ot h ef o r m a t i o no ft w ob a rh i n g e s t r u c t u r e t h en e u t r a ll a y e ro ft h eb e a mw i l lm o v e t h ed e f o r m a t i o no ft h eb e a mw i l l t u r nt or o t a t i o no ft h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nh i n g ea n dt h et e n s i o n a ld e f o r m a t i o no fb a r , m e a n w h i l ea x i a lf o r c ew i l lb et h em a i nf a c t o r t h i sp r o c e s si sa sf o l l o w s ：t h e p r o p a g a t i o no fe l a s t i cf l e x u r a lw a v e ；e l a s t i cs t r u c t u r a lr e s p o n s e ；p h a s et r a n s f o r mi n l o c a t i o n ；t h ef o r m a t i o na n de v o l u t i o no fp h a s et r a n s f o r mh i n g e ；p h a s et r a n s f o r mh i n g e m o v e m e n t ；t h ef o r m a t i o no fb a rh i n g e ds t r u c t u r e t h ed y n a m i cr e s p o n s ew i l lb e l o c a l i z a t i o nf o rl o c a l i z e dp h a s et r a n s f o r m t h ef o r m a t i o no fp h a s et r a n s f o r mh i n g e c a u s e dt h eb e a mt or o t a t ea r o u n dt h eh i n g e ，w h i c hl e a dt ot h em o m e n to u to fh i n g e a r e ad e c r e a s er a p i d l ya n dt h ep r o p a g a t i o no fh i 曲f r e q u e n tf l e x u r a lw a v ed e p r e s s e d o b v i o u s l y a st h em a t e r i a l i nt h e p h a s et r a n s f o r m a t i o nh i n g ec h a n g e di n t o t h e m a r t i n s i t ep h a s e ，t h ep h a s et r a n s f o r mh i n g ew i l lb es e p a r a t e da n dm o v es e p a r a t e l y i i i a b s t r a c t t h ep h a s et r a n s i t i o nd i s a p p e a r e du n d e ru n l o a d i n ga n dt h eb e a mt u r nt ot h ei n i t i a l c o n d i t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nh i n g eh a sg r e a t l yd i f f e r e n t c h a r a c t e r sc o m p a r e d 谢t ht r a d i t i o n a li d e a le l a s t i c p l a s t i c t h ee x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e do nt h ep eb e a mu n d e rt h es m a l lm a s sh i g hs p e e d c o n d i t i o n ，u s i n gr e v i s e ds p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) a p p a r a t u s m e a n w h i l e ， t h ea s y m m e t r i c a li m p a c te x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e d t h er e s u l ts h o w st h a t ：t h e f l e x u r a lw a v em o t i o nr e s p o n s et i m ei sa b o u tl m s t h ef l e x u r a lw a v er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i cu n d e rt h eh i g hv e l o c i t yi m p a c ti st h a tt h ea m p l i t u d eo ff l e x u r a lw a v ei s o fh i g hv a l u e t h ep h a s et r a n s i t i o nw i l lb eg e n e r a t e di nt h eb e a ma st h er e f l e c t e dw a v e s u p e r i m p o s e dw i t ht h ei n c i d e n tf l e x u r a lw a v e h o w e v e r , i ti s u n s t a b l ea n dw i l l d i s a p p e a rb e c a u s eo ft h el o wp h a s et r a n s i t i o np e r c e n t t h ep h a s et r a n s i t i o nf l e x u r a l w a v ei sf o r m e dd u r i n gt h ed y n a m i cs t r u c t u r a lp r o c e s s t h ea m p l i t u d ev a l u eo ft h e f l e x u r a lw a v ew i l li n c r e a s ea st h ei m p a c tv e l o c i t yi n c r e a s i n g ，w h i c hw i l ll e a d t o d i s t r i b u t i o no ft h em a r t e n s i t ei sd i f f e r e n t t h eh i g h e rf r e q u e n c ya n dl o w e rv a l u ew a v e w i l lb eg e n e r a t e da n dp r o p a g a t i n gi nt h eh i n g e db e a mu n d e rs m a l lm a s sh i g hs p e e d l o a d i n g ，w h i c hw i l ll e a dt ot h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nh i n g eg e n e r a t e dt i m ei n c r e a s e t w op h a s et r a n s f o r m a t i o nz o n ew i l lb eg e n e r a t e di nt h em i da n d t h ee n di nt h es h o r t e r p a r to ft h eb e a mu n d e rt h ea s y m m e t r i c a li m p a c tl o a d i n ga n d t h e r ei sae l a s t i cz o n e b e t w e e nt h em i da n dt h ee n d f o rt h el o n g e rp a r to ft h eb e a mt h e r ew i l lb eap h a s e t r a n s f o r m a t i o nz o n eo c c u rb e t w e e nt h em i da n dt h ee n d t h er e s u l ts h o w sd i f f e r e n t c h a r a c t e ro fd y n a m i cr e s p o n s ec o m p a r e dw i t hs y m m e t r i c a li m p a c t b e c a u s e o f t e m p e r a t u r ee f f e c t ，t h ep h a s et r a n s i t i o na r e a si n c r e a s ea n d t h e r ei sn ot w ob a rh i n g e s t r u c t u r ef o r m e d t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nw i l ll e a dt ot h et e m p e r a t u r ei n c r e a s ea n d f u r t h e rl e a dt ot h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nh a r d e r , a t t h es a m et i m et h ep h a s e t r a n s f o r m a t i o nw i l lm a d et h em a t e r i a ls o f t t h es y n t h e s i so ft h et w o e f f e c t ss h o u l db e s t u d i e di nt h en e x ts t e p t h ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e rd i f f e r e n tm a s sr a t i oo fi m p a c to b j e c ta n db e a m l s s t u d i e d ，a tt h es a m et i m et h ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e r d i f f e r e n tv e l o c i t yi si n v e s t i g a t e d b vn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ei m p a c tv e l o c i t yh a sm o r eg r e a t e f f e c to nt h ew a v em o t i o np r o c e s st h a nt h ei m p a c to b j e c tm a s s t h ek i n e t i ce n e r g y o f t h ei m p a c to b j e c th a sg r e a te f f e c to nt h ed y n a m i cs t r u c t u r a lr e s p o n s e t h ea x i a lf o r c e i s t l l cn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ee n d - c l a m p e db e a mu n d e rt h ed y n a m i ci m p a c t ， w h i c hm a k e se n e r g ys t o r ea st e n s i o n a ld e f o r m a t i o ne n e r g y t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fi n f i n i t yb e a ma n de n d - c l a m p e db e a m u n d e rd i f f e r e n t i v a b s t r a c t a m p l i t u d ev a l u es t e pl o a dw e r ei n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a lm e t h o d t h ea n a l y t i c a l s o l u t i o no ft h ee l a s t i cf l e x u r a lw a v eo ft h ee n d - c l a m p e db e a ma n dt h eh i n g e db e a m u n d e rs t e pl o a d i n gw e r eo b t a i n e db ym o d a ls u p e r p o s i t i o nm e t h o d 啊1 ec o m p a r i s o n w a sm a d eb e t w e e nt h ea n a l y t i e a ls o l u t i o na n dt h en u m e r i c a ls o l u t i o n t h ec o m p a r i s o n r e s u l ts h o w st h e r ea r eg r e a ti n a c c u r a c yi n0 olm s ，w h i c hw a sl e a db yt h el a c ko ft h e m o d ea n dt h eh i g h e rf r e q u e n c ya l ei n v o k e di nt h e0 o l m s t h e r ei sw e l la g r e e m e n ta s t i m ei n c r e a s ea n dt h ee f f e c t i v eo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni st e s t e d t h ee f f e c to f s h e a ra n dr o t a r yi n e r t i aw a sd i s c u s s e da n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c tc a nb e i g n o r e df o rt h eb e a m t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ei n f i n i t eb e a mw a ss t u d i e db ya b e a mw h i c hl e n g t hi st w om e t e r s t h er e s u l t so fm o m e n ta n dm a r t e n s i t ed i s t r i b u t i o n w e r eo b t a i n e d t h ee f f e c to fp h a s et r a n s f o r m a t i o no nt h ed y n a m i cr e s p o n s ew a s s t u d i e db yt h e s er e s u l t s ，a n dt h er e s u l t ss h o w st h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nc a nd e p r e s s t h ef l e x u r a lw a v ep r o p a g a t i n gi nt h eb e a m ，n l ep h a s et r a n s f o r m a t i o nw i l lo c c u ri nt h e w a v em o t i o np e r i o du n d e rh i g ha m p l i t u d ev a l u el o a da n dw i l lo c c u ri nt h es t r u c t u r a l r e s p o n s ep e r i o du n d e rl o wa m p l i t u d ev a l u el o a d n l ei n e r t i af o r c eh a sg r e a te f f e c to n t h ed y n a m i cr e s p o n s e ，a n dt h ef i n a ld y n a m i cr e s p o n s ei st h ev i b r a t i o na r o u n dt h e e q u i l i b r i u mp o s i t i o n k e yw o r d ：p h a s et r a n s i t i o n ；s t r u c t u r a li m p a c t ；c l a m p e db e a m ；f l e x u r a lw a v e ；p h a s e t r a n s i t i o n v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：罢垒 签字日期：j 望! q ：多二垒 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 函公开口保密( 年) 作者建名：罴：竺：孟 导师签名： 签字目期：三望! 旦兰：兰至 埤 致谢 致谢 本文是在导师唐志平教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度、渊博的 学识、敏锐的科学洞察力和旺盛的创新敬业精神，谦虚民主的学术作风，使我在随 导师多年来的学习和研究过程中深受教益。在本文的研究和成文过程中，唐老师更 是给予了悉心指导和全力支持。此外，在实验室的三年多，唐老师和师母廖香丽老 师在生活上给予我的关怀和照顾令我终身难忘，值此论文完成之际，谨向唐老师和 廖老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢。 感谢实验室胡晓军老师和郑航老师给予的热情帮助和支持。 感谢我系胡时胜教授、文鹤鸣教授、虞吉林教授、李永池教授、沈兆武教授、 等多位老师的教诲和指导。 感谢实验室蔡健博士、徐薇薇博士、张兴华博士、张凌博士以及崔世堂、刘永 贵、张庆红、李龙、张会杰、黄赫、宋卿争、张科等各位师弟在各个方面给我的帮 助。 作者要对父母表示深深的谢意，感谢他们多年来对我的全力支持，我的每一点 成绩，都浸透着他们的心血和汗水，他们对我的支持和期待是我前进的最大动力。 最后感谢我的岳父岳母，是他们对家庭生活的帮助，使得本文能顺利完成。感谢我 的妻子卢蕾女士和女儿吴墨涵，感谢我妻子长期对我的理解和支持，感谢我女儿成 长过程给我带来的很多欢乐。 感谢国家自然科学基金( 1 0 6 7 2 1 5 8 ) 对本文工作的支持。 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 物质中具有相同的化学成分和结构的部分被称为相。当外界作用( 应力，温 度或者电磁场) 改变时，相和相会发生转变，这就是相变i 。相变是自然界中普 遍存在的一种临界现象，如三态变化。相变将使得物质的性能发生改变，使得材 料的力、电、磁、声、光等一系列物理、力学性质的显著变化，例如，形状记忆 合金的神奇特性就是由热弹性马氏体相变引起的。该领域取得了突破性进展，已 初步形成固体力学的新分支“相变固体力学”，并成为当今固体力学最为活跃的 领域之一，国际力学界权威刊物“应用力学评论亦将相变固体力学列为未来固 体力学的十大基础前沿研究领域之一【z j 。 相变是典型的涉及跨学科和跨时空尺度的研究领域。固体材料在受到高速撞 击、爆炸等强冲击载荷的作用时，可能会屈服甚至发生相转变。由于相变后的材 料实质上已经成为一种新材料，如石墨至金刚石的相变，相变将会引起材料响应 的强烈非线性，从而改变应力波波形，造成冲击相变所特有的三波结构波阵面和 卸载冲击波。因此，冲击下材料的相变特性对于材料和结构的动态响应有着重大 影响。然而，冲击相变领域的研究主要集中在相变材料的冲击响应和本构描述方 面，并取得了丰硕成果【l 】，相变结构的冲击特性研究则属于刚起步阶段。 结构动态响应的研究是将材料应用到工程实际问题中的重要前提。与塑性有 关的结构弹塑性行为和失效破坏已有许多成熟的理论p 刮。然而，尽管相变材料 已经开始大量使用，迄今为止，结构的相变力学行为尤其是动态行为的研究还处 于起步阶段j j 。正是在这样的背景下，我们选择工程中最广泛使用的基本构件 固支梁，对横向冲击载荷下相变梁的早期波动效应及随后的动力响应进行研究， 以期为相变材料结构的工程应用和高效抗冲击结构的设计提供理论基础。 1 2 相变材料的力学性能研究现状 相变类型有多种 2 1 ，机制也大相径庭，在研究结构抗冲击的背景下，主要研 究材料中的一级固一固相变。形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，下面简称s m a ) 是典型的相变金属材料，在冲击载荷的作用下能够发生一级固固相变，形状记 忆合金的奥氏体相、马氏体相之间的相变以形状变化为主，下面对其冲击相变特 性及其研究现状分别进行介绍。 第一章绪论 1 2 1t i n i 形状记忆合金的相变特性及其相关研究 t i n i 合金的基本性质 t i n i 合金中主要有两个相：奥氏体相( a ) 和马氏体相( m ) ，分别为b 2 体 心立方结构、畸变b 1 9 单斜结构。t i n i 合金有4 个特征温度m s 、m f 、a s 、a f ， 其中m s 、m f 表示降温时奥氏体向马氏体转变的起始和完成温度，a s 、a f 表示升 温时马氏体向奥氏体转变的起始和完成温度。 s t r e s s o s t r a i n 图1 1t i n i 合金的形状记忆效应示意图 形状记忆效应( s h a p em e m o ue f i e c t ) 。当温度低于马氏体向奥氏体转变的 起始温度a s 时，t i n i 合金表现出形状记忆行为，即变形在卸载后不能完全恢复， 将其加热至a f 以上，则残余变形完全消失。s m e 有两种模式：i 初始处于孪晶 马氏体相，加载时发生马氏体重取向，转变为退孪晶马氏体，引起残余变形；i i 初始处于奥氏体相，加载时发生奥氏体到马氏体相变，引起残余变形。两种模式 的应力应变曲线相似，加热之后，材料都会发生逆相变，转变为奥氏体，残余变 形消失，形状得到回复( 图1 1 ) 。 伪弹性效应( p s e u d o e l a s t i ce 虢c t ) 。当温度高于马氏体到奥氏体相变的完成 温度a f 时，t i n i 合金体现伪弹性效应。图1 2 是t i n i 合金的伪弹性效应的示意 图，材料初始处于奥氏体相，首先发生o a 段是奥氏体相的弹性变形段，加载至 a 点时，奥氏体开始向马氏体转变，继续加载至b 点时，奥氏体全部转变为马 氏体，b c 段是马氏体相的弹性变形段，由c 点开始卸载，当卸载至b 点时，逆 相变开始，马氏体开始向奥氏体转变，继续卸载至a 点时，马氏体全部转变为 奥氏体，a o 段是奥氏体相的弹性卸载段，卸载至0 点时，变形完全回复。 2 第一章绪论 。 图1 2t i n i 合金的伪弹性效应示意图 1 2 2t i n i 合金的力学性能研究 ( 一) 循环变形特性 众多实验表明 9 - 1 3 】，循环载荷对t i n i 合金的力学行为有影响。处于伪弹性状 态的s m a ，在经过若干次的应力应变循环之后，才能达到一个较为稳定的滞回 环，而在此过程中会积累产生少量的残余应变。一旦稳定之后，相变临界应力、 相变应变以及由于滞回所消耗的能量都会达到一个稳定值，合金的力学特性表现 出良好的可重复性。 ( 二) 拉压不对称性 近年来，在对t i n i 合金进行的实验【1 4 。2 0 】中发现，单轴拉伸和单轴压缩时t i n i 合金的相变行为不同，表现出拉压不对称性：与拉伸相比，压缩时正逆相变的临 界应力以及相相变平台段模量都较高，平台段应变较小，如图1 3 所示。这种不 对称性在单晶【1 9 ，2 0 】和多晶1 6 ，2 2 】的实验中都有体现。g a l l 等( 2 l 2 2 1 、l i m 和 m c d o w e l l 2 3 】认为t i n i 合金中相变的拉压不对称是由晶体结构存在最优取向引起 的。o r 9 6 a s 和f a v i e r t ”】为了排除晶体结构的影响，对各向同性多晶t i n i 合金进 行了实验，发现相变具有拉压不对称性，指出拉压不对称是t i n i 合金中马氏体 相变固有的性质。q i d w a i 和l a g o u d a s 2 4 】j 每t i n i 合金中相变的拉压不对称归结于 静水压力的影响，并建立了一个热力学本构，很好的解释了相变的拉压不对称性。 郭扬波【2 5 】同时考虑了静水压力和偏应力，分别建立了“应力诱发 和“形变诱 发”相变的临界准则，准则在主应力空间给出的相变临界面是一个圆锥面，呈现 出拉压不对称性。 第一章绪论 图1 3t i n i 合金中马氏体相变行为的拉压不对称性【2 0 】 ( 三) 不同应变率下的行为 l i u 等1 6 , 2 6 、施绍裘等【2 7 】以及郭扬波【2 8 】等对t i n i 的马氏体重取向行为进行 了动态s h p b 实验并和准静态m t s 结果作了比较，发现动态应力应变曲线形状 与准静态类似，但马氏体重取向过程中，动态情况下的应力比准静态略高。 c h e n 等【2 9 1 、朱珏等3 0 1 、郭扬波【3 l 】以及n e m a tn a s s e r 等人【1 3 1 都分别对处于 伪弹性的t i n i 合金进行了s h p b 实验。结果表明，在不同的应变率条件下，应 力应变曲线形状相似，正相变和逆相变的临界应力随着应变率的提高而增大，相 变平台越来越不明显；但是当应变率非常高时( 大约4 2 0 0 s ) ，相变平台几乎消 失，曲线和普通弹塑性材料相似，说明无扩散切变机制变形转变成了基于位错的 塑性滑移【1 3 j 。 同时c h e n 等【2 9 】和郭扬波【3 1 1 都发现，在s h p b 动态实验中，伪弹性试件卸载 完成后，应力应变曲线反映出试件有残余变形，但回收试件测量结果表明，在实 验刚刚结束的很短的时间内，能够测到残余变形，但是经过一定时间( 3 0 秒- - ，2 4 小时) 残余变形会消失，说明动态过程中，材料的变形最终会回复，但可能不是 立即回复。 ( 四) 一维应变冲击条件下的行为 有关t i n i 合金的实验研究多集中在一维应力状态，对一维应变条件下t i n i 合金的力学行为研究相对较少。t h a k u r 3 2 1 、e s c o b a r 3 4 1 、m i l l e t t l 3 5 】以及郭扬波【3 6 】 对一维应变条件下t i n i 合金的力学行为进行了实验研究，结果表明一维应变冲 击压缩时，t i n i 合金中不发生相变。t h a k u r 等【3 2 , 3 3 】同时还对t i n i 合金进行了一 维应变冲击拉伸实验，发现在一维应变拉伸条件下，t i n i 合金中会发生相变，他 们解释为，t i n i 合金的相变以形状变化为主，并伴有少量体积膨胀，将应力分解 为静水压和偏应力两部分，偏应力对相变总是起促进作用，压缩时静水压对相变 4 垂竣爱历 第一章绪论 起阻碍作用，拉伸时静水e , n 起促进作用，因此拉伸时需要相对较低的偏应力相 变就能够发生。 i 3 相变材料构件的冲击力学性能的研究现状 i 3 i 非梁结构件的研究 与材料性能研究相比，对于相变对相变材料结构的力学响应可能造成的影响 的研究相对较少。相关的研究表明，发生了冲击相变下的铁及铁基合金材料结构 的破坏模式与未发生相变时有很大不同。而形状记忆合金结构方面，b i n n a n 3 7 】 曾就s m a 的本构理论、力学性能和结构应用方面写过一篇综述文章，其中关于 结构问题方面讨论了屈曲、振动、声控等等，主要侧重控制应用。 相变会强烈的改变介质中冲击波波形，形成所谓的冲击波波阵面的三波结构 和卸载冲击波【2 】。如图1 4 所示，图中l l 、l 2 是材料屈服引起的弹塑性波阵面， l 3 是由于材料相变产生的波阵面( 有些文献中称之为塑性i i 波) ，也就是所谓的宏 观相边界。加载阵面形成“三波结构”。r 2 则为卸载时由于相的逆转变产生的卸 载冲击波。在准静态形状记忆合金的拉伸或扭转实验中，也可以观察到相边界的 传播，与冲击下的相边界不同，准静态中相边界传播速度很慢，并不是以波的形 式传播，也不存在波的相互作用问题。准静态条件下的相边界两侧是截然的母相 和新相的分界面，相边界扫过的地方，母相全部变成新相，没有混合相存在。对 于形状记忆合金的马氏体相变，由于马氏体和奥氏体表面氧化物的折光率不同， 甚至可以从试件表面的颜色变化，肉眼看到相边界的传播( 孙庆平等【4 q ) 。 ( a )( b ) 前 图1 4 相变材料( a ) 和一般流体弹塑性材料( ”中应力波形的比较 对于相边界传播问题的研究，众多学者从不同角度出发，应用不同的方法， 得到了_ 些很有意义的结果。a b e y a r a t n er k n o w i e sj k ，r o s a k i sp ，x i a o g u a n g z h o n g 等人【4 7 彤1 从一个非凸( n o n - c o n v e x ) 的材料单位体积应变能函数出发，导出 第一章绪论 相变材料的应力应变关系，并构建成核判据和动力学关系，形成完整的本构关系。 对于从准静态到动态相边界传播问题，给出了各种条件下的解，形成一套完整的 体系。但是他们体系中的相边界两侧是纯母相和纯新相，更适合应用于描述单晶 体的相变，或者说更接近于微观意义上的相边界。孙庆平、s h a w 等人对形状记 忆合金中相边界的实验