（工程力学专业论文）形状记忆合金的力学性能及其耗能研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 形状记忆合金( s m a ) 具有良好的形状记忆效应和伪弹性效应，是一种新型 的智能材料，已经广泛的应用于工业领域，包括联接件、阻尼器、医疗器械等。 本文采用实验和数值模拟相结合的方法，围绕处于奥氏体相状态的形状记忆合金 在静态和动态时的力学性能( 特别是伪弹性特性) 开展了较为系统的研究。通过 设计耗能实验装置来检测耗能效果，通过商用软件l s - d y n a 的数值模拟和实验 相对比，证明我们理论分析的正确性。 本文运用m t s 等实验手段对t i n i 合金的相变和伪弹性进行研究，系统的研 究了t i n i 合金在不同温度、不同应变率以及加卸载循环次数等因素影响下的伪 弹性性质。研究发现：1 ) t i n i 合金具有拉压不对称性：在压缩状态下的相变开 始和结束点的应力( 盯，和盯，) 要高于拉伸时的盯，和盯，同时伪弹性的应变区 间也更宽。2 ) t i n i 合金具有应变率效应：拉伸时，盯，和盯，随应变率的提高而 增大，并且伪弹性的应变区间也变大。动态拉伸时( 应变率 3 0 0 s ) ，伪弹性段与 马氏体段已无法区分。动态压缩时，盯。和d ，均着随应变率的增加有明显的提高， 且伪弹性也较为“平坦”。3 ) t i n i 合金具有温度效应：盯和盯，随应变率的提高 而增大，并且伪弹性的应变范围也增大。温度越高，迟滞环越不明显，残余应变 越高。高应变率下，t i n i 合金处于绝热状态，耗能产生的热量会使得自身温度有 较大的上升。4 ) 随着循环次数的增加，相变区间减小，相变开始应力减小，耗 能性能减弱，残余应变增大，但都会趋于一个稳定的状态。 通过对t i n i 合金耗能试验装置的各项测试，我们有以下发现：经过适当热处 理后的t i n i 合金材料具有明显的阻尼耗能功能，振幅和预应变对阻尼耗能的效 果有很大的影响。振幅越大，阻尼比越大，耗能越快；适当的预应变可以有效的 提高阻尼比。 在有限元理论的基础上，我们通过l s d y n a 开展了t i n i 合金耗能实验装置 的数值模拟研究。数值模拟结果证实了我们之前实验的结论。 关键词：形状记忆合金奥氏体相伪弹性耗能减振数值模拟应变率效应温度 效应阻尼比 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) h a st h eg o o ds h a p em e m o r ye f f e c ta n dt h ep s e u d o e l a s t i c e f f e c t i ti so n ek i n do fn e wi n t e l l i g e n tm a t e r i a l ，h a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l f i e l d s ，i n c l u d i n gj o i n t ，d a m p e r , m e d i c a li n s t r u m e n ta n ds oo n e x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sa r eu s e di nt h ep a p e rt oc a r r yo nt h er e s e a r c ho f m e c h a n i c a lp r o p e r t y ( s p e c i a l l yt h ep s e u d o e l a s t i cp r o p e r t y ) o fs m a ( a n d e ra u s t e n i t e ) u n d e rs t a t i ca n dd y n a m i cc o n d i t i o n w e d e s i g no n es i m p l ee n e r g yd i s s i p a t i o n e q u i p m e n tt oe v a l u a t et h ee f f e c to fe n e r g yd i s s i p a t i o n a l s ow eu s et h ec o m m e r c i a l f e as o f t w a r el s - d y n at om a k et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s oa st om a k et h e c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a lm e t h o da n dn u m e r i c a lm e t h o d e q u i p m e n t s ( s u c h a sm t s ) a r eu s e dt oc a r r yo nt h er e s e a r c ho fp h a s et r a n s i t i o na n d p s e u d o e l a s t i ce f f e c to ft i n ia l l o y t h ep s e u d o e l a s t i ce f f e c to ft i n ia l l o yi sa n a l y z e d u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n ts t r a i nr a t ea n dd i f f e r e n tl o a d i n gc y c l en u m b e r s o m ec o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ：1 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs m au n d e rt e n s i o n c o n d i t i o ni sd i f f e r e n tw i t hc o m p r e s s i o nc o n d i t i o n u n d e rc o m p r e s s i o nc o n d i t i o n , t h e s t r e s so fp h a s et r a n s i t i o ns t a r t i n ga n de n d i n gp o i n t ( 吒& 盯，) a r eh i 曲c rt h a nt e n s i o n c o n d i t i o n ，a n dt h es t r a i ni n t e r v a lo fp s e u d o e l a s t i ci sw i d e rt o o 2 ) t i n ia l l o yh a ss t r a i n r a t ee f f e c t u n d e rt e n s i o nc o n d i t i o n ，o s & c r lw i l lb ee n h a n c e da l o n gw i t ht h es t r a i n r a t er a i s i n g ，a n dt h es t r a i ni n t e r v a lo fp s e u d o e l a s t i ci sw i d e ra tt h es a n l et i m e u n d e r t h ed y n a m i ct e n s i o nc o n d i t i o n ( s t r a i nr a t e 3 0 0 s ) ，i ti sd i f f i c u l tt od i f f e r e n t i a t et h e p s e u d o e l a s t i ca n dm a r t e n s i t ea r e a u n d e rc o m p r e s s i o nc o n d i t i o n ，o l of w i l lb e e n h a n c e da l o n gw i t ht h es t r a i nr a t er a i s i n g 3 ) t i n ia l l o yh a st e m p e r a t u r ee f f e c t o 。of w i l lb ee n h a n c e da l o n gw i t ht e m p e r a t u r er a i s i n g ，a n dt h es t r a i ni n t e r v a lo f p s e u d o e l a s t i cw i l lb ew i d e r w h e nt e m p e r a t u r er a i s i n g ，t h eh y s t e r e s i sl o o pw i l lb en o t a sc l e a r l ya sb e f o r e ，a l s or e m n a n ts t r a i nw i l lb el a r g e r u n d e rh i 曲s t r a i nr a t ec o n d i t i o n ， t h et i n ia l l o yi sj u s ta tt h e r m a li n s u l a t i o nc o n d i t i o n s ow h e ns m a d i s s i p a t i o ne n e r g y ， i tw i l lm a k ei t s e l fab i gt e m p e r a t u r er a i s e 4 ) w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fc y c l e s ， o s a n ds t r a i ni n t e r v a l d e c r e a s e d ，t h ee n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a b i l i t yw e a k e n e d ， i n c r e a s i n gr e m n a n ts t r a i n f i n a l l y , i tw i l lb e c o m eas t a b l ec o n d i t i o n a f t e re v a l u a t et h et i n ia l l o ye n e r g yd i s s i p a t i o nd e v i c e ，w eg e ts o m ec o n c l u s i o na s 中国科学技术大学硕士学位论文 s h o w e db e l o w ：a f t e ra p p r o p r i a t eh e a tt r e a t m e n to ft i n ia l l o y , t h es m am a t e r i a lh a s o b v i o u s l yc a p a b i l i t yo fe n e r g yd i s s i p a t i o n p r e s t r a i na n dd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ew i l l i n f l u e n c et h ee n e r g yd i s s i p a t i o ne f f e c tal o t ，t h eg r e a t e rt h ea m p l i t u d ei s ，t h eh i g h e r d a m p i n gr a t i oi s ，a n dt h ee n e r g yd i s s i p a t i o ni sm o r ee f f e c t i v e a p p r o p r i a t ep r e s t r a i n c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed a m p i n gr a t i o b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y , w ec a r r i e do u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft i n i a l l o ye n e r g yd i s s i p a t i o nb yl s d y n a t h er e s u l tc o n f i r m e dt h ec o n c l u s i o nw eg o t b e f o r e k e y w o r d ：s m a ；a u s t e n i t e ；p s e u d o e l a s t i c ；e n e r g yd i s s i p a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s t r a i nr a t e ；t e m p e r a t u r er a t e ；d a m p i n gr a t i o 中国科学技术大学硕士学位论文 致谢 本文是在导师王肖钧教授和胡秀章副教授的悉心指导下完成的。导师渊博的 学识、敏锐的洞察力、严谨求实的治学态度、勤勤恳恳的工作热情、一丝不苟的 敬业精神以及循循善诱的教导方法都给我留下深刻的印象，并将使我终生受益。 本文从选题、调研到具体研究工作的开展，以及论文的撰写、修改，都得到了两 位导师的悉心指导和全力支持，在此，向导师表示最衷心的感谢! 真诚的感谢李永池教授、郭杨副教授和王志亮副教授在学习期间给予的热情 帮助和大力支持。 感谢实验室的刘飞、董杰、王蜂、赵凯、范书群、李建光、刘永胜、邓世春、 于少娟、邓世春、蒋东、庞伟宾、嵇晓宇、朱志刚、谷先广、卞梁、余育苗、吴 立朋、劳俊、苗丰、景峥、江楠等师兄( 姐) 师弟，与她们的相互交流，使我在 学术方面有了新的认识，并结下了深厚而真挚的友谊。感谢邓世春师兄，在材料 试验部分给予了全面的支持。感谢江楠师弟在数值模拟部分给于的帮助。 感谢我的父母，感谢你们对我始终如一的支持和期待，你们的关心直激励 着我不断前进。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，简写为s m a ) 作为一种全新的功能性材料 为人们所认识并成为一个独立的学科分支，始于1 9 6 3 年美国海军武器实验室发 现t i n i 合金( 原子比l ：1 ) 具有良好的形状记忆效应( s h a p e m e m o r y e f f e c t ，简写为 s m e ) 。从7 0 年代起，世界各国学者对s m a 的记忆效应机制以及与它密切相关 的伪弹性( p s e u d o e l a s t i ce f f e c t ，简写为p e ) 效应机制进行了研究，并发现有些合 金不仅具有单程形状记忆效应( o n ew a ys h a p em e m o 巧e f f e c t ) ，而且还具有双程 ( t w ow a ys h a p em e m o r ye f f e c t ) 甚至全方位形状记忆效应( a l lr o u n ds h a p e m e m o r ye f f e c t ) ，且进一步改善了材料的疲劳寿命和记忆的稳定性，这就为s m a 在工程中的应用开拓了广阔i j 景。8 0 年代中期，s m a 的研究取得了重大突破。 研究人员从实验出发，采用不同的方法和模型，建立了一系列包括温度、相变变 量等状态变量在内的一维和三维本构关系，并把s m a 用于当前迅速发展的智能 材料和智能结构中。智能结构具有高度自适应能力，它可以自动适应结构的一些 特殊要求，从而解决工程中许多用传统方法难以解决的实际问题。如果把经技术 处理后的s m a 复合于材料之中或加工成智能元件安装在结构的某些部位，则可 利用其特殊的力学和物理性能，便之成为损伤监控器，被动或主动控制结构变形、 结构振动等。目前s m a 己在电子、机械、航天、建筑、运输，化学、医疗，能 源以及日常生活中日益得到广泛的应用【i 。2 j 。 i i 形状记忆合金的相变特性 物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部 分称为相。相变是物质系统不同相之间的相互转变，常伴有吸热或放热以及体积 突变。单位质量物质在等温等压条件下，从一相转变为另一相时吸收或放出的热 量称为相变潜热。s m a 相变属于结构改变型的相变，即材料经相变时由一种晶 体结构改变为另一种晶体结构。远在战国和西汉，我国已经将铜剑加热，然后淬 火以使得铜剑能“削铁如泥”。其实这个淬火过程是由高温面心立方相( 奥氏体) 转变为低温体心立方或体心四角( 正方) 相( 成为马氏体) 的马氏体相变。 s m a 最典型的特性是形状记忆效应、相变伪弹性效应，它们主要发生在不 同的温度范围内。实际上，形状记忆效应和相变伪弹性总是与相变相联系的。具 有形状记忆效应的t i n i 合会的t i 和n i 的原子数相近，原子比为l ：i 左右。近等 原子比的t i n i 合金中主要有两个相：奥氏体相和马氏体相。奥氏体相是c s c i 型 第章绪论 体心立方b 2 结构，如图1 14 ：a ) 所示，马氏体相是畸变b 1 9 单斜结构，如图1 1 ( b ) 所示。 经过一定热处理的t i n i 合金，在从奥氏体到马氏体的相变过程中存在一个中 i 甘j 相r 相。r 相为菱方( r h o m b o h e d r a | ) 结构由b 2 晶格沿 。，方向伸长得到， 如图1 2 所示。早期认为奥氏体到r 相转变是马氏体相变的先驱效应，以后才被 确定为独立的相变【】。r 相变是一个成核、长大过程，r 相变会产生表面浮凸， 有热效应，存在小的相变滞后，r 相变属一级相变，本质上也与马氏体相变类似 1 4 5 l 。 曩 啊 嘲 ( a ) a u s t e t 3 s i t eb 2 ( b ) m a r t e n s i t eb 1 9 图1 1 奥氏体和马氏体的点阵结构( a ) 舆氏体；( b ) 马氏体 b ( 0 1 0 ) m a u s t e n i t e1 3 2 一r j i ( o o b ( o i o k r - p h a s 4 1 图i 2奥氏体到r 相转变过程中点阵结构的变化 通常我们把热弹性马氏体相变中的高温相叫奥氏体相，低温相叫马氏体相。 从奥氏体相到马氏体相的相变叫马氏体相变，从马氏体相到奥氏体相的相变叫马 氏体逆相变。在整个相变过程中，s m a 材料还有4 个特性参数，即m 、m ，和4 、 a ，( 如图1 3 所示) ，它们分别表示马氏体相变和马氏体逆相变的初始温度及结 束温度，点m 。为应力诱发马氏体相交的最高温度，通常有m ， m ， 4 中国科学技术大学硕十学位论文 2 5 动态拉伸试验 j 二j 一， j ? 嚼+ 母! 硷。 一 一l e 一 州 ，7，j ， j ， ，7 ， 7 一， ! 。k 7 + 卜，j 。j l 上二 ：一j 。一 ，夕j ，7 z j ，般：矛移? ? 够，j | 图2 9 动态拉伸机示意图 动态拉伸试验装置如图2 9 所示，其基本工作原理为f 4 j ：通过转轮高速旋转， 撞击拉杆产生拉伸波。拉伸波通过入射杆传播到试件，一部分入射波反射回去， 形成反射波，一部分透过试件传播到投射杆，形成投射波。压力、入射杆右端面 和投射杆左端面的位移可以通过以下式子得到： 只( f ) = e ，4 【蜀( f ) + 占，( r ) 】( 2 8 ) g ( t ) = e a g , ( t ) ( 2 , 9 ) m ( r ) 2c oj ：【( f ) 一s ，( f ) 弦 ( 2 1 0 ) u o ( t ) = c o 【( f ) a t ( 2 1 1 ) 其中e 为杨氏模量，p 为材料密度，c o = e p 为波速，a 为杆的截面积，t 为 时间，( r ) 和占，( f ) 为入射波和反射波，蜀( f ) 为投射波。这些参数都可以通过图 中的3 个应变片测量得到( 1 3 、1 4 和1 5 ) 。试件的应力、应变和应变率可以通过 以下的公式得到： 啪) = 鼍产= 鼢愀】= 鲁驰) ( 2 1 2 ) n ，o 膨 ：t ，一 移 r 1 t ，。缈 第- 二章t i n i 形状记忆台金伪弹性试验研究 啪) = 等掣专拟沪“旷“f ) 】出鲁脚凇( 2 1 3 ) 啪) 专州刊】- 争驰h ( ，) 】 ( 2 1 4 ) 其中爿、和，。分别为试件的截面积和标准尺寸长度。图2 1 0 显示了标准试件的几 何尺寸。 要求：采用幔走丝进行线切割， 表面不能有日月显刀痕 2 6 本章小结 其维影 图2 1 0 动态拉伸的标准试件图纸 本章介绍了材料试验所用的设备及其原理。其中d s c 用来测量相变点温度， m t s 用来测试低应变率下的各种力学行为，s h p b 和动态拉伸机用来测试高应变 率下的力学行为。相关实验结果和讨论将在下一章中展开。 1 飞 中国科学技术大学领二学位论文 参考文献 【i 】江昆华，聚合物近代仪器分析，清华大学出版社，1 9 9 1 【2 】胡时胜，霍普金森压杆技术。兵器材料科学与工程，1 9 9 1 ，1 2 2 ：4 0 - 4 7 【3 j 采博，e ta l 。霍普金森压杆实验中的脉冲整形技术。第二届全国s h p b 实验技术会议， 2 0 0 4 1 0 ，黄山 4 jy u a n m i n gx i a , w a n gy a n gd y n a m i ct e s t i n go fm a t e r i a l sw i t ht h er o t a t i n gd i s ki n d i r e c t b a r - b a rt e n s i l ei m p a c ta p p a r a t u s ，j o u r n a lo f t e s t i n ga n de v a l u a t i o n ，v 0 1 3 5 ，n o 1 第三章形状记忆合金实验结果分析和讨论 第三章形状记忆合金实验结果分析和讨论 本章通过处理 一章各项力学实验所得的数据，分析研究t i n i 合金的力学性 能。我们将从以下几个方面展开讨论分析其力学性能，并为下一章的阻尼耗能研 究作准备。 1 t i n i 合金拉压时的伪弹性 2 应变率对t i n i 合金伪弹性的影响 3 温度对t i n i 合金伪弹性的影响 4 循环加载对t i n i 合金伪弹性的影响 3 1t i n i 合金的伪弹性及拉压不对称性 当温度高于奥氏体相变结束温度a ，时，t i n i 合金表现出伪弹性性质【l 】。在 1 0 4 s 应变率下，使用m t s 材料试验机分别对t i n i 合金试件进行了拉伸，压缩 试验所得的应力应变曲线如图3 1 所示。结果显示，t i n i 形状记忆合金的拉伸、 压缩应力应变曲线总体上是相似的，都是先有一个弹性阶段，此时t i n i 合金都 处于奥氏体相状态。随着应力的增加，当应力超过奥氏体相向马氏体相转变的临 界应力盯。时，材料开始产生相变，出现伪弹性平台，这时t i n i 合金处于马氏体 相和奥氏体相的混合状态。继续增大应力，当应力大于奥氏体相全部转变为马氏 体相的临界应力盯，时，相变结束。继续加大应力，t i n i 合余则处于马氏体相的 弹性阶段。 凸 主 - - 6 - ( m m ，m m ) 图3 1 t i n i 合金的伪弹性及拉压不对称性 中国科学技术大学硕士学位论文 我们同时注意到，t i n i 形状记忆合金具有拉压不对称性 2 1 。拉伸状态下，应 变不到1 时相变就已经开始了，此时g 大约在2 7 0 m p a ，相变阶段应变在1 一4 之问，整个相变阶段伪弹性平台比较平缓。压缩状态下，应变要到2 左右才开 始相变，且正在5 5 0 m p a 左右，比拉伸时提高了2 8 0 m p a 。压缩状态下的相变阶 段应变在2 一6 之间，伪弹性平台相对没有拉伸时那么平缓。 3 2 应变率对t i n i 合金的影响 3 2 1 低应变率拉伸试验 使用m t s 8 0 9 材料试验机对处于奥氏体相状态下的t i n i 形状记忆合金标准 试件，在应变率分别为1 0 s 、1 0 五s 和1 0 4 s 时进行拉伸实验，每个应变率下测 试3 次，取各组的平均值得到3 条应力应变曲线，如图3 2 所示。 宙o “ 正 舌 o o 。m 。c ( 未篙m ，精， o 脯。 图3 2 较低应变率下的拉伸曲线 比较3 条拉伸应力应变曲线，我们可以看到t i n i 形状记忆合金的应力应变曲 线是应变率相关的，应变率越高，相变起始和结束点的应力盯。和盯，也越高( 见 表3 1 ) 。3 种应变率下，相变开始时的应变都为o 7 。随着应变率的提高，相变 开始应力盯提高的不多，而相变结束应力盯，提高较大；相变结束时的应变也随 着应变率的提高而变大( 分别为4 1 、4 3 和4 5 ) ，因此伪弹性的应变范围 随应变率的提高而增大。另一方面，较高的应变率会影响伪弹性，表现为应力应 变曲线中相变结束点的应力与相变开始点应力的差值变大，伪弹性平台显得不如 较低应变率下明显。 第三章形状记忆台会实验结果分析和讨论 表3 i 二种应变率r 的相变起始应力应变比较 麻变率( 1 s ) 相变开始应力相变结束应力相变开始应变相变结束应变 ( m p a ) ( v l p a )( 9 的( ) 1 0 3 1 3 67 4 8 5o 74 3 1 0 3 3 6 58 5 4 60 74 5 计算图3 2 中3 条应力应变曲线的斜率，得到模量一应变关系，结果如图3 3 所示。图3 3 的模量应变曲线很好的反映了图3 2 中的应力应变曲线。对于3 条 拉伸曲线，一开始都有一个相对稳定的模量，此时处于奥氏体相弹性阶段。应变 率越高，模量越大。进入相变段后( 应变大于o 7 ) ，t i n i 合金的模量迅速下降 到一个低谷，其中应变率为1 0 4 s 时为1 0 0 0 0 m p a ，1 0 。s 时为9 0 0 0 m p a ，1 0 4 s 时为2 0 0 0 m p a ，相差很多。从图3 2 中可以看到，应变率为1 0 。4 s 时伪弹性平台 比较平缓，对应于图3 3 中，它的模量在1 3 应变之间几乎不变。而应变率 为1 0 4 s 和1 0 。2 s 时模量则相对没有这么平稳。到了相变结束段，t i n i 合金开始 进入马氏体相。此时3 种应变率下的马氏体相模量也不相同。应变率越小，模量 越大，与相变开始时的情况正好相反。 冒 n 至 面 删 醛 a 棚a j ld 啦o 吩00 o0 50 , 10 0 g ( ) 图3 3 较低应变率下的模量一应变曲线 另外我们也注意到，应变率越大，伪弹性段的模量与马氏体相的模量越接近， 似乎应变率越高，使得相变越难完成。我们分析其原因：应变率越大，实验的时 l 甘j 越短，越接近绝热状态。在较差的传热环境中会使得试样温度升高，而诱发马 氏体相变的应力也随着温度的升高而增加，阻碍了马氏体相变的进行1 3 - 6 1 。 图3 4 显示了3 个试件在准静态下的相变迟滞环情况，其中最大应变分剐为 中囡科学技术大学硕卜学位论文 o 7 6 、3 1 3 和4 5 2 。图3 4 显示，当应力小于相变开始应力盯。时，t i n i 合金 和普通弹性材料一样服从弹性卸载。但当应力加载到大于盯时卸载，t i n i 合金 便具有伪弹性相变迟滞环。在此相变迟滞环，加载时由奥氏体相向马氏体相转变， 卸载时由马氏体相回复到奥氏体相。整个过程可以消耗大量能量，且卸载时几乎 没有残余变形( 图中出现的一点残余变形在经过一段时间后完全消失) 。并且在 不产生塑性变形的情况下，应变越大，伪弹性相变迟滞环的面积越大，吸收能量 越多。 m 毫 百 t 0o 5 0 o m m ，m m ) 图3 4 准静态下的相变迟滞环 3 2 2 高应变率拉伸状态 在动态拉伸试验机上，对t i n i 合金试件开展高应变率下的实验，得到其应力 应变曲线，并计算模量应变曲线，结果如图3 5 和图3 6 所示。在高应变率下 ( 3 0 1 s 1 4 4 7 s ) ，3 条曲线的奥氏体相阶段几乎重合，开始相变点的应变为1 1 左右，应力为5 0 0 m p a 左右，都要比低应变( 3 0 0 s ) ，伪弹性段与马氏体段已无法区分。动态压缩时，仃。和仃，均着随应变 率的增加有明显的提高，且伪弹性也较为“平坦”。 温度效应：同应变率效应类似，吒和仃，随温度的提高而增大，并且伪弹性 的应变范围也增大。温度越高，迟滞环越不明显，残余应变越高。高应变率下， t i n i 合金有较大的温升，不可忽视。 循环加载的影响：随着循环加载次数的增加，相变区间减小，相变开始应力 减小，耗能性能减弱，残余应变增大，但都会趋于一个稳定的状态。 参考文献 f l 】杨杰，吴月华形状记忆合金及其应用【m 】合肥：中国科技大学出版社，1 9 9 3 【2 】o r g e a sl ，a n df a v i e rd ，( 1 9 9 5 ) n o n - s y m m e t r i ct e n s i o n - c o m p r e s s i o nb e h a v i o ro f n i t ia l l o y , jp h y si v c o l l o q ，5 6 0 5 ， 3 】s h a wj a a n dk y r i a l i d e ss ，( 1 9 9 7 ) o nt h e n u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o no fp h a s e t r a n s f o r m a t i o nf r o n t si nan i t ia l l o y , a e t am a t e r , ，4 5 ( 8 ) ，6 8 3 7 0 0 4 1m u k h e r j e ek ，s i r c a rs ，a n d d a h t r en b ，( 1 9 8 5 ) t h e r m a le f f e c ta s s o c i a t e dw i t h s t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni naw - n ia l l o y , m a t e r , s c i a n de n g 7 4 7 5 8 4 4 3 兰兰! 堡鉴蔓竖垒竺兰矍壁墨坌塑塑! ! 堡 【5 】m c c o r m i c kp g ，l i uy j ，a n dm i y a z a k is ，( 1 9 9 3 ) i n t r i n s i ct h e r m a l m e c h a n i c a lb e h a v i o r a s s o c i a t e dw i t ht h es t e s s i n d u c e dm a r t e n s “i et r a n s f o r m a t i o ni nn i t i ，m a t e r , s c i a n de n g a 6 7 ，51 - 5 6 6 1g a f a js p ，n o w a e k iwk ，a n dt o b u s h ih 。( 1 9 9 0 ) t e m p e r a t u r ee v o l u t i o nd u r i n gt e n s i l et e s t o f t i n is h a p em e m o r ya l l o y a r c h ，m e c h 5 l ( 6 x6 4 9 6 6 3 【7 】c h e nww ，w uqp k a n gjh ，w i n f r e ena c o m p r e s s i v es u p e r e l a s t i cb e h a v i o ro fan i t i s h a p em e m o r ya l l o ya t s t r a i nr a t e so f o 0 0 1 - 7 5 0 s - 1 i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fs o l i d sa n d s t r u c t u r e s ，2 0 0 l ，3 8 ：8 9 8 9 - 8 9 9 8 8 】朱珏，张明华，董新龙，王礼立t i n i 台金率相关的动态超弹性行为爆炸与冲击，2 0 0 3 ， 2 3 ( 增刊) ：8 1 8 2 【9 】t o b u s h ih ，s h i m e n oy ，h a c h i s u k at ，a n dt a n a k ak ，( 1 9 9 8 ) i n f l u e n c eo fs t r a i nr a t eo n s u p e r e l a s t i cp r o p e r i t i e so f t i n is h a p em e m o r ya l l o y ，m e e h m a t e r s 3 0 ，1 4 1 - 1 5 0 1 0 1t o b u s h ih ，t a n a k ak ，s h i m e n oy y ，n o w a c k iwk ，a n do a d a js p ，( 1 9 9 0 ) i n f l u e n c eo f s t r a i nr a t eo ns u p e r e l s t i cb e h a v i o ro f t i n is h a p em e m o r ya l l o y , p r o ci n s t nm e c h e n g r 2 1 3 p a r tl ，9 3 1 0 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章形状记忆合金耗能减振研究 具有相变伪弹性性能的t i n i 形状记忆合金是一种很独特的功能型材料，其伪 弹性相变迟滞环可以吸收大量能量，且没有残余变形( 或很小) i l l 。本章利用设 计的t i n i 合金阻尼耗能实验装置，分析t i n i 合金阻尼耗能性能及其影响因素， 讨论研制t i n i 形状记忆合金阻尼器的可行性。 4 1 实验装置 为了考察t i n i 合金的伪弹性迟滞环阻尼耗能性能，我们设计了一个简单的实 验装置，如图4 1 所示。 图4 1 实验装置简图 实验装置通过两侧的螺栓把t i n i 合金丝固定在支架上。合金丝直径 o 6 m m ，原长2 4 0 m m ，中间置一质量块，质量为2 0 0 9 。质量块上安装有加速 度传感器。试验用的t i n i 合金丝成分为t i 5 0 。6 5 a t n i ，密度尸= 6 4 5 0 k g r n 3 。 对质量块施加一初始位移，使质量块通过t i n i 合金丝作往复运动。我们通 过加速度传感器测量质量块的加速度信号，测量的信号经电荷放大器放大，用频 谱分析仪采集信号并分析采集的信号。 4 2 工作原理 t i n i 形状记忆合金经过适当热处理，且环境温度高于奥氏体相变的结束温度 儿时，具有伪弹性性质。伪弹性阻尼耗能的主要原理( 见图4 2 ) 为：加载时先 第叫章形状记忆合金耗能减振研究 有奥氏体相弹性阶段0 b ，接着是奥氏体相向马氏体相相变的阶段b _ c 卸载时由 于马氏体逆相变存在滞后，所以先出现弹性阶段c 。d ，然后是马氏体相向奥氏体 相逆相变的过程d - c ，最后经由奥氏体弹性阶段a - 0 回到原点。过程a - b c d a 形 成个伪弹性相变迟滞环。迟滞环的面积即为t i n i 合金在这个加卸载循环中消 耗的能量。面积越大，消耗能量越多。在整个耗能过程中，t i n i 合金材料往复来 回，直到停止。 盯 图4 2t i n i 合金阻尼耗能原理图 4 3 实验结果及其分析 为了验证我们设计的阻尼耗能装置的效果，我们对合金丝的中点以给仞始位 移( 振幅) 的方式进行加载，观察系统的振动衰减情况，分析阻尼比。为了便于 对比分析，我们分别加装了2 组丝：第一组经过5 5 0 。c 保温1 5 分钟后空冷至室 温。相交点温度如表4 1 所示： 袁4 it i n i 合金丝的相变点温度 实验时室温为1 5 。c ，高于奥氏体相变结束温度4 ，所以一开始第一组t i n i 合金 都处于奥氏体相状态：第二组没有经过热处理，理论上没有伪弹性。对两组合会 丝施加相同的仞始位移，观其振幅衰减情况。 中国科学技术大学硕士学位论文 4 3 1 振幅对阻尼耗能效果的影响 对t i n i 合金丝的中点位置向下给一初始位移，分别为1 0 n u n 、1 5 m r n 、2 0 m m 和2 5 n u n 时，测得系统的加速度振幅衰减结果如图4 3 所示。 e ” 己 eo ! 棚 n j - 一 2 ” o d 坌 吕n 乏 7 ，p ， t i m u l l q m e ( s ) b 3 一 孽口量u6n： ” 。 帅 舶 舢 f6百口己e曲日墓 (6)a口曼c西mz 拍 。 舢 村 种 一6l口曼u6n墓 第四章形状记忆合金耗能减振研究 川口 0 5 o o a t i m e ( s ) 图4 3a l - a 4 ，b 1 - b 4 初始位移分别为1 0 ，1 5 ，2 0 和2 5 m m 时两组合金丝的衰减对比 其中图4 3a 1 “为未经过热处理的t i n i 合金丝的衰减情况，很显然未热处 理过的合金丝没有伪弹