（材料加工工程专业论文）复合稀土铜锌铝形状记忆合金应用于结构减振的基础研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 由于地震风振等振动引起的工程结构的破坏、人员的伤亡以及经济的损失数不胜 数。为此，研究工作者研制了耗能器和耗能支撑框架，并提出架构控制理论。本文介绍 了形状记忆合金特殊的形状记忆效应、拟弹性特性、阻尼特性，及其应用于工程减振的 研究现状、形状记忆合金本构关系的研究现状。通过热机循环、金相分析、透射衍射试 验，研究了合金有利于抗震减振的特殊力学特性；分析了合金特殊的骨架及滞回曲线， 分别构造了拟塑性和拟弹性模型；使用片状耗能器被动控制框架振动，建立s i m u l i n k 模型并以计算机模拟地震波与风载荷。 研究表明：相变点为5 0 的复合稀土c u z n a l 形状记忆合金淬火后的时效时间在7 小时左右，可以使板状s m a 得到较大阻尼马氏体态c u z n a l 形状记忆合金耗能器具有 较大的耗能能力。热机械循环数次以后滞回面积大幅减小，这主要是因为合金在热机械 循环过程中位错不断积累，破坏了合金有序结构，可逆马氏体量减少造成的。但相变点 高的形状记忆合金的滞回面积减小幅度较小。虽然奥氏体状态的c u z n a l 形状记忆合金 耗能器在反复热机械循环使用中不需加热冷却，仅靠正逆应力诱发马氏体相变就可恢复 形状，但是耗能能力较小，且有较大残余应变。拉伸曲线的骨架曲线与滞回曲线因为残 余马氏体的含量不同而使形状不同。由于马氏体开始转变温度的不同，c u z n a l 形状记忆 合金的骨架曲线模型与滞回曲线模型的参数稍有区别。因此，各种m s 温度的记忆合金 的模型需要作修正。马氏体状态记忆合金的力学曲线模型为双线性模型；奥氏体状态记 忆合金的模型为对称s 型函数曲线。c u z n a l 形状记忆合金可用于框架结构的被动振动控 制，可使框架具有较大的阻尼比，同时明显降低框架结构的振动频率，从而可使框架结 构避开共振利用m a t l a b 的s i m u l i n k 模拟框架的振动情况。通过计算所得框架的阻尼 比调整修正各个模块参数，得到的框架振动计算机模拟结果与实际测得曲线相符。建立 地震波和风载荷模型，并作为外加载荷输入框架振动的计算机模型。 关键词：c u z n a l 形状记忆合金，马氏体，奥氏体，滞回曲线，本构关系，框架减振， 计算机模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed a m a g eo fe n g i n e e r i n gs t n | c n l r & t h ea t t r i c i s ta n dt h ee c o n o m i cl o s s e sa r o s e db y l i b r a t i o n ，c a u s e db ye a r t h q u a k ea n dw i n d , w e r ec o u n t l e s s t h u s ，r e s e a r c h e r sd e v e l o p e dk i n d s o fd a m p e r s ，e n e r g yd i s s i p a t i o nb r a c e ，a n db r o u g h tf o r w a r ds t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r y i nt h i s p a p e r , t h ec u r r e n ts t a t e so ft h ea p p l i c a t i o nt oe n g i n e e r i n gd a m p i n ga n dt h ec o n s t i t u t i v e r e l a t i o no fs m a sw e r ei n t r o d u c e d ，b e s i d e st h es p e c i a lc h a r a c t e ro fs h a p em e m o r ya l l o y s ， i n c l u d i n gs h a p em e m o r ye f f e c t ，p s e u d o e l a s t i c i t y , d a m p i n gs p e c i a l i t y t h e nb ym e & n so f h e a t m e c h a n i cc y c l i n g ，m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，t e ma n ds e m e x p e r i m e n t ，w ed i ds o m e w o r ka b o u tt h es p e c i a lp e r f o r m a n c e so fs m a s ；w ea n a l y s e dt h ef r a m ea n d h y s t e r e t i cl o o p so f a l l o y s ，t h e nc o n s t r u c t e dp s e u d o p l a s t i ca n dp s e u d o e l a s t i cm o d e l ；w eu s e df l a k ys m a s d a m p e r st oc o n t r o lt h ef r a m el i b r a t i o np a s s i v e l y , t h e nf o r m e ds i m u l i n km o d e l ；a n dw e c o n s t r u c t e de a r t h q u a k e w a v ea n dw i n d l o a dd i g i t a lm o d e l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed a m p i n gr a t i o so ft a b u l a rs m a sw o u l db er e l a t i v e l yl a r g e r a n dt h em a r t e n s i t i ep h a s ec o n t e n tw o u l db em o s tw h e nt h ea g i n gt i m ew a s7h o u r sa f t e r c u z n a is m aw a sq u e n c h e d t h ed a m p e r sm a d eo fm a r t e n s i t i cs t a t ea l l o y sh a dm u c hg r e a t e r d a m p i n gc a p a b i l i t yt h a nw h a tm a d eo fa u s t e n i t i cs t a t ea l l o y s a f t e rs e v e r a lh e a t - m e c h a n i c c y c l i n g s ，t h eh y s t e r e t i ca r e ad e c r e a s e dg r e a t l y b e c a u s ed i s l o c a t i o n , p r o p a g a t i n gi n c e s s a n t l yi n t h ea l l o yd u r i n gt h ec y c l i n g s ，d e s t r o y e dt h eo r d e r e ds t r u c t u r eo fa l l o y s ，t h e nt h ec o n t e n to f r e v e r s i b l em a r t e n s i t ed e s r e a s e d b u tt h eh y s t e r e t i ca r e a so ft h es m aa l l o y sw i t hh i g h e rm s t e m p e r a t u r e sd e c r e a s e dr e l a x e d l y d u r i n gt e n s i o np r o c e s s ，t h es h a p eo ff l a m ec u r v e sw e r e d i f f e r e n tf r o mh y s t e r e t i cc u r v e s b e c a u s eo fd i f f e r e n tr e s i d u a lm a r t e n s i t ep h a s ec o n t e n t t h o u g ht h ed a m p e r s ，m a d eo fc u z n a ls m ai na u s t e n i t i cs t a t e ，c o u l du s ei nt h er e p e a t l y h e a t - m e c h a n i c c y c l i n g w i t h o u t h e a t i n g - u p a n d c o o l i n g d o w n ，d u e t or e v e r s i b l e t r e s s i n d u c e m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ，t h ed a m p i n gc a p a b i l i t yo f t h e mw a sr e l a t i v e l ys m a l l e r a n dt h e r ew a sm o r er e s i d u a ls t r a i n i nv i r t u eo fd i f f e r e n tm st e m p e r a t u r e s ，t h ep a r a m e t e r so f f r a m em o d e la n d h y s t e r e t i cm o d e lh a ds m a l ld i f f e r e n c e s ot h em o d e l so f k i n d so f a l l o y sw i t h d i f f e r e n tm st e m p e r a t u r e sn e e dt ob em o d i f i e d a n dw ef o u n dt h a tt h em o d e lo fm a r t e n s i t i c l i 江苏大学硕士学位论文 s t a t ea l l o y sw e r eo fd o u b l er i g i d i t yw h i l et h em o d e lo fa u s t e r d t i cs t a t ea l l o y sw e r ef o r m e db y s y m m e t r i cs - t y p ef u n c t i o n c u z n a is m ad a m p e r sc o u l db eu s e di nt h el i b r a t i o np a s s i v e c o n t r o lo ff r a m es t r u c t u r ea n dm a k et h ef r a m eh a v er e l a t i v e l yl a r g e rd a m p i n gr a t i o a tt h e s a l n et i m e ，d a m p e r sc o u l dd e b a s et h el i b r a t i o nf r e q u e n c yo ff r a m es t r u c t u r e ，s ot h a tt h ef r a m e c o u l dk e 印a w a yf r o mr e s o n a n c e w cu s e ds i m u l i n km o d u l ei nm a t l a bt os i m u l a t et h e l i b r a t i o no ff r a m e w eg a i n e dt h ed a m p i n gr a t i oo ff r a m el i b r a t i o nb yc a l c u l a t i o n , t h e n i n s t a l l e dp a r a m e t e r so fe a c hm o d u l e t h er e a u l to fs i m u l a t i o na c c o r d e dw i t hw h a tc o u l dg a i n a c t u a l l yb yd a t ac o l l e c t i o nm e t e r s ow ec o u l dc o n s t r u c te a r t h q u a k ew a v ea n dw i n dl o a d m o d e la si m p r e s s e dl o a dt oi 1 1 p u tt h ed i g i t a lm o d e l k e y w o r d s ：c u z n a is h a p em e m o r ya l l o y , m a n e n s i t e ，a u s t e n i t e ，h y s t e r e t i cl o o p ， c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，f r a m el i b r a t i o n ，d i g i t a ls i m u l a t i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并商国家有关部门藏橇构送交论文的复翠件和电子舨，允许论文被查耀帮倦 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采月影e p 、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：主豌j 、 们年g 月鸠目 指导教师签名：司力j 锄 沙。乒年# 月f 多f 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导卿的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作晶成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：芝目荛巧、 日期：如。牛年6 月杉日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 工程结构的设计与建造都必须考虑对振动的抵抗能力。而振动激励源主要包括地 震、风荷载以及流体诱发等。地震是这个星球上的生命面临的最大自然灾害之一；在漫 长的历史过程中，它破坏了无数的城市和乡村。地震问题的一个重要特征就是，死伤机 会全都是由人们建造的建筑物所引起的。而这只能由抗震结构的设计和建造来克服。地 震载荷的大小取决于结构的性能，在框架体系或细部机构中的少许变化有可能在抗震性 能上产生巨大的影响“，比如在某些部位加上耗能器。 风荷载是高、大、细、长等柔性结构重要的设计载荷。它造成工程结构损伤和破坏， 给人民生命财产带来重大的损失，是风灾损失的主要部分。随着生产和建设的发展，风 灾损失和其他损失一样，每年递增。国外，美国华盛顿世界观察社报导，整个8 0 年代， 因气候变化造成的损失有5 4 0 亿美元。而9 0 年代前5 年，已造成1 6 2 0 亿美元的损失。 国内，1 9 9 4 年9 4 1 5 号台风袭击浙江，直接损失达1 0 8 亿人民币，加上间接损失，总数 达1 7 7 6 亿人民币，约合2 0 多亿美元。风力下结构必然产生响应，一般情况下，由于 阻尼的存在，其响应受到控制，振动是稳定的。但是在某些情况下，激励部分会产生负 阻尼成分，如果风速到达某值时负阻尼大于正阻尼，此时产生的振动将愈来愈强，一直 达到极大的振幅而产生失稳式破坏嘲。 一 世界各国普遍采用的传统抗振方法是采用延性结构体系。该方法是适当控制结构物 的刚度，使结构构件( 如梁、柱、墙、节点等) 在结构振动时进入非线性状态，并且具有 较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。“1 这种抗震 方法虽然在很多情况下是有效的，但也存在很多局限性。国内外的许多震害表明，这种抗 振设计是一种消极被动的抗振措施。为克服传统抗振结构型式的不足，合理而有效的抗 振方法是在框架中设置支撑与耗能装置的组合结构，形成耗能支撑框架6 1 。耗能支撑框架 是抗侧刚度适中、主要依靠非结构构件消耗振动能量的结构型式。耗能支撑可以代替部 分或全部剪力墙，用于新建建筑的抗振设防和现有建筑的抗振加固。 而我们考虑的就是如何把具有很好耗能减振性能的形状记忆合金应用到工程结构 减振当中。结构控制是当前结构工程的高科技领域之一，虽然这一概念提出时间不长， 但发展非常迅速，特别是被动控制理论已趋于成熟，国家抗震设计规范中也增加了隔震 江苏大学硕士学位论文 和消能减震内容。但目前为止，现有的减震装置在安装、维修、造价、控制效果及耐久 性等方面仍存在许多问题，人们一直期待着能出现一种性能优良、便于维护、耐久可靠 的减振装置。目前，在土木工程结构领域采用智能材料进行结构控制已经引起结构研究 工作者的重视，如结构构件的自诊断、自修复以及自适应驱动等都引起研究者的极大兴 趣，目的是通过智能材料使结构具有某种智能特性，从而更有效地抵御各种环境的干扰。 而将它用于结构的振动控制则是智能材料在土木工程领域中应用的一个重要方面。形状 记忆合金的发现给工程结构控制展开了新的前景。形状记忆合金在工作温度低于的马 氏体状态下呈现的形状记忆效应可用于结构的主、被动控制；利用形状记忆合金工作温 度高于a 。的奥氏体状态下呈现的超( 伪) 弹性效应更多的用于结构的被动控制。 本课题研究的c u z n a l 形状记忆合金即是一种具有自适应能力的功能材料。利用其 形状记忆自回复特性，已经在程控电话交换主机配线架上的过热保护器( 保安单元) 取 得推广应用蛳。而由于记忆合金不同成分时特殊的形状记忆、伪弹性及阻尼效应，使其 具有应用到工程结构减振的可能。除了耗能器外，还可以开发更多的应用。例如，由于 建筑对采光和自然通风等的要求，可能导致组合体型出现凹角。这将使凹角处建筑不同 部分之间产生差异运动并直接导致局部的应力集中。同时为了规划、设计计划以及建筑 风格的需要，高层建筑常采用收进手法。这样的情况也可以理解成为竖向的凹角。解决 方法之一就是将建筑从结构上分离为简单的形状。为防止分离部分在地震时发生碰撞应 设计抗震隔离缝。隔离缝要符合损坏准则，通常形状较大，当建筑水平和竖直振动时能 光滑的移动，可以压碾的金属板材制造“1 。而形状记忆合金在此方面与其他普通金属相 比有其明显的优势；其特有的形状记忆及伪弹性效应可以使抗震隔离缝在变形后全部或 者部分回复原状，由于该过程是由于形状记忆合金内在机制所致，故较普通金属更能抗 疲劳；同时形状记忆合金优异的阻尼性能也有利于工程结构在振动过程中快速恢复到静 止位置。鉴于此，我们有望以形状记忆合金代替工程结构的某些细部机构，从而达到减 振抗震的目的。优良的被动控制装置可以有效地改善和提高土木工程结构的性能，大幅 度地减轻土木工程结构( 包括建筑结构、高耸结构和桥梁结构等) 在强风和地震作用下 的反应，确保其在强烈振动下的安全性和舒适性。工程上现有的一些减振装置在应用中 体现出一些局限性：例如老化和耐久性的问题、长期工作的可靠性、在强振后的更新和 替换问题以及在强振后无法恢复等等。在土木工程领域，利用智能材料的独特性能开发 2 江苏大擘硕士学位论文 和研制适于土木结构的耗能减震阻尼器件和阻尼结构，已成为研究的一个热点。 而本课题就是以研究复合稀土c u z n a i 形状记忆合金的一些特殊的且有利于工程 结构减振的性能为主；并初步探索c u z n a i 合金的力学本构方程；最后以计算机模拟试 验框架振动情况，并构造了地震波及风荷载的模型。 江苏大学硕士学位论文 第二章形状记忆合金概述 2 1形状记忆合金的发展 具有形状记忆效应( s m e ) 的形状记忆合金( s m a ) 是2 0 世纪7 0 年代才真正发展起来 的新兴功能材料。其实早在1 9 5 1 年，张禄经和r e a d 就应用光学显微镜观察到形状记忆 效应的极端例子：a u - 4 7 5 a t c d 合金中，低温相马氏体和高温( 剩余) 相( 母相) 之 间的界面随着温度下降向母相推移( 母相一马氏体) ，随温度上升向马氏体推移( 逆相 交：马氏体一母相) 。虽然当时未以形状记忆命名，也未引起功能应用的重视，但是通 常以此标志着对s m a 研究的开始。直到1 9 6 3 年，美国海军军械研究室b u e h l e r 等偶然 间发现等原子n i - t i 合金( 当时作为阻尼材料开发研究) 在室温经形变弯曲( - - b 氏体态) ， 再经加热( 发生逆相变：马氏体一母相) 后自动回复母相状态形状( 自动弹直) ；由于 积累了马氏体相变的知识，他们领悟到这类合金( 具有热弹性马氏体相变的合金) 在经 过马氏体态变形，经逆相变，能自动回复母相形状，于是命名形状记忆。自此，形状记 忆合金及n i t i n o l ”( 指n i t i - n a v y - o r d n a n c e l a b o r a t o r y ) 的名声不胫而走。七十年 代，人们对于c u 基合金中记忆效应的微观机制、应力诱发马氏体相变晶体学有了清晰 的认识，而t i n i 合金由于包含复杂的相变现象，并且难于制备单晶体，其理论研究 进展缓慢。进入八十年代有了较大进展，到前几年才逐步搞清了t i - - n i 合金马氏体的 晶体结构和内部组织。一、r 相变与马氏体相变晶体学嗍、记忆机制、实效行为“”等现 象。 2 0 世纪7 0 年代以来已经开发出n i - t i 基形状记忆合金、c u - a i - n i 基、c u - z n - a i 基形状记忆合金；8 0 年代开发了f e _ n i 吒o - t i 基和f e 州n - s i 基形状记忆合金。3 0 余年 来，有关形状记忆效应的研究己席卷马氏体相变领域。马氏体相变国际会议的论文中， 形状记忆的论文超过半数。 1 9 8 9 年，美国弗吉尼亚理工学院及卅i 立大学的c a r o g e r s 提出将n i t i 丝埋入复合 材料层合板中，使构件具有被动减振降噪的能力。在这个被称为形状记忆合金混杂复合 材料的构想中，最突出的特点就是利用s m a 的特性，改变结构中的应力应变分布1 。这 4 江苏大学硕士学位论文 是形状记忆合金于工程结构减振的第一次应用。 2 2 热弹性马氏体相变 形状记忆合金受到越来越多科研工作者的关注，以及近年来在生物、电子、机械、 宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电、服饰等越来越多领域得到推广的根本原 因还在于其特殊的性能。前己述及，形状记忆合金的名称来自于它能够记忆形状的能力， 其实质为热弹性马氏体相变。徐祖耀提出马氏体相变的定义“”为：替换原子经无扩散位 移( 均匀和不均匀形变) ，由此产生形状改变和表面浮突，呈现不变平面应变特征的一 级、形核一长大型的相变。与一般马氏体相变不同的是，形状记忆合金的相变为热弹性 的。以电阻法、d s c 法等可测得材料进行马氏体相变及其逆相变的相变临界温度，一 般以m s 表示母相开始转变为马氏体的温度，m r 指马氏体相变完成的温度；a s 表示马 氏体经加热时开始逆相变为母相的温度，a f 为逆相交完成的温度。在低于m s 点的温度 下，随着冷却的进行马氏体晶粒长大，但是长大到一定程度后，热力学的化学自由能减 少与弹性的非化学自由能增加之和到达某一极小值，这时便停止长大。这种热效应和弹 性效应之间的平衡状态也就是热弹性( t h e r m o e l a s t i c ) 这一名称的由来。在热弹性马氏 体相变中，已有的马氏体晶核随温度的降低以相当于冷却速度的速度( 例如人肉眼也能 观测得出的速度) 长大，并且随升温而收缩。 2 3 形状记忆效应 多数合金中，热弹性马氏体相变的存在是形状记忆效应的前提条件。形状记忆效应 是指材料在a s 以下发生范性应变，在加热到a f 温度以上借助于可逆的( 通常指晶体学 上可逆) 逆转变得到恢复的现象“”。当一定形状的母相样品由a f 以上冷却至m f 以下形 成马氏体后，将马氏体在m f 以下变形，经加热至a f 以上，伴随逆相变，材料会自动回 复其在母相时的形状。当马氏体变形后经逆相变，能回复母相形状的称为单程形状记忆 效应；有的材料经适当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，并且在再度冷却时能回 复马氏体变形后的形状，称为双程记忆效应( 一般双程记忆效应并不完全) ；试样在m f 以下变形，随后加热到a f 以上恢复母相的原始形状，再继续加热时试样将产生反方向 江苏大学硕士学位论文 变形，若再冷却或加热时，形状不再发生变化，这称为反向形状记忆效应“”；而全程形 状记忆效应是指试样在m f 以下变形，加热到a f 以上恢复母相原来形状，再继续加热时 形状不再改变；若冷却时试样首先逆变形为原来马氏体的形状，进一步深冷时，则发生 与加热时方向相反的变形，在随后的加热冷却循环过程中，呈现可逆记忆效应，且在冷 却时自发变形灵敏，但与通常的可逆形状记忆效应变形方向相反。 马氏体相变是一种非扩散型转变，母相向马氏体转变，可理解为原子排列面的切应 变。由于剪切形变方向不同，而产生结构相同位向不同的马氏体一马氏体变体。以c u - z n 合金为例，合金相变时围绕母相的一个特定位向常形成四种自适应的马氏体变体，其惯 习面以母相的特定位向对称排列。四种变体合称为一个马氏体片群，如图2 - i 。通常的 形状记忆合金根据马氏体与母相的晶体学关系，共有六个这样的马氏体片群，形成2 4 种马氏体变体。如图2 2 所示，记忆合金的2 4 个变体组成的六个片群及其晶体学关系， 惯习面绕6 个( 1 1 0 ) 分布，形成6 个片群。每个马氏体片群中的各个变体的位向不同， 有各自不同的应变方向。每个马氏体形成时，在周围基体中造成了一定方向的应力场， 使沿这个方向上变体长大越来越困难，如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成，它 当然取阻力小、能量低的方向，以降低总应变能。由四种交体组成的片群总应变几乎为 零，这就是马氏体相变的自适应现象。 【a ) 图2 - i 个马氏体片群 f i g 2 1 ac l u s t e ro f m a r t e n s i t e 臻 图2 - 2六个片群及晶体学关系 f i g 2 2 s i xc l u s t e ro f m a r t e n s i t e s a n dc r y s t a l l o g r a p h i cr e l a t i o n s h i p 每片马氏体形成时都伴有形状的变化。这种合金在单向外力作用下，其中马氏体顺 应力方向发生再取向，即造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏体都采取一个 6 江苏大学硕士学位论文 取向时，整个材料在宏观上表现为形变。对于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方 向择优取向，在相变同时，材料发生明显变形，上述的2 4 个马氏体变体可以变成同一 取向的单晶马氏体。将变形马氏体加热到a s 点以上，马氏体发生逆转变，因为马氏体晶 体的对称性低，转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一个位向母相原来的位向。 尤其当母相为长程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶 时，形成单一位向母相的倾向更大。逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏 观变形也完全恢复n 5 3 。图2 3 示意了s m e 的全过程“”。 巴寸胛 l：器姜嚣2i ! t 上墨糕t 证l ，- 毒簪曩x 图2 - 3s m e 的全过程“” f i g 2 - 3 t h ec o u r s eo f s m e n 町 形状记忆合金母相的结构比较简单，一般为具有高对称性的立方点阵，且绝大部分 为有序结构。马氏体的晶体结构较母相复杂，对称性低，且大多为长周期堆垛，同一母 相可有几种不同的马氏体变体。如果考虑内部亚结构，马氏体结构则更为复杂：如9 r ， 1 8 r 马氏体的亚结构为层错，3 r 与2 h 马氏体的亚结构为挛晶。一般说来，形成有序晶 格和热弹性型马氏体相交是形状记忆合金的基本条件“”。 2 4 伪弹性及超弹性 具有热弹性马氏体相变的合金，除显示形状记忆效应外，还呈现另一重要性质，即 伪弹性或超弹性。当合金经受拉力，由母相经应力诱发( 应力提供相变驱动力) 发生相 变，形成马氏体；当去除应力后，部分应变因应力诱发马氏体逆相变为母相而回复，称 为伪弹性( 应力应变曲线上所呈现的弹性由相交引起) ；当应变全部回复时称为超弹 7 江苏大学硕士学位论文 性对不同合金、或对同一合金在不同温度下施加压力，卸载后会出现不同的应变回复 情况。 图2 4 所示形状记忆合金中出现伪弹性回复和形状记忆效应的典型应力一应变变 化示意图“”。其中，在d 点以下为形成应力诱发马氏体或已存在( 热弹性) 马氏体的再 取向，在d 点形成总应变为e ，；在d 点去应力后，部分应变先弹性回复( 伪弹性e ，一 e ) ：剩余部分的应变( a e ) 需经升温至a s ，经高温逆相变逐渐回复( 形状记忆效应e 或 f g ) ，到a ，时可能还存在小部分应变( 如图中g h ) 未经回复，称为永久应变；f - - g 应变段则称为可恢复应变。 2 5 阻尼特性 箸 l 瘊鹰一 图2 - 4 伪弹性回复及形状记忆效应示意图旧 f i g 2 4t h er e c o v e r yo f p s e u d o e l a s t i c 时s m a l l 7 i 形状记忆合金的阻尼机制大致可以根据合金工作温度与相变点温度的高低而分为 两类。当合金的工作温度高于凡温度，即合金处于伪弹性状态时，称为“伪弹性”阻尼； 当合金的工作温度低于m 、温度，即合金处于马氏体状态时，称为“拟塑性”阻尼。当温 度处于m 、与a 、之间时，两种阻尼机制都作用。伪弹性阻尼主要是指阻尼的大小由s m a 的伪弹性决定。从伪弹性形状记忆合金的应力一应变图中可以看出，在一个加载循环 中，s m a 可以吸收的能量大小与滞回环的面积成正比“。而拟塑性阻尼在滞回环耗能的基 础上，还能由合金中与热弹性马氏体相变有关的相变孪晶晶界或母相与马氏体的相界， ，倒 江苏大学硕士学位论文 在振动应力的作用下发生移动，产生的非弹性应变使应力松弛，将外加机械能耗散“”。 因此，拟塑性阻尼合金通常叫做孪晶型阻尼合金。 2 6 形状记忆合金研究现状 2 6 1应用于工程减振的形状记忆合金研究现状 文献口”根据形状记忆合金( s m a ) 材料的热力学特性，提出了装有s m a 拉索，利用 其独特的相变伪弹性性能被动控制建筑结构地震响应的力学分析和计算模型，讨论了这 种全新功能材料在结构抗震控制中的应用。结果表明，s m a 被动拉索不仅可以有效地减 少和抑制结构的地震响应，而且性能可靠，构造简单，自适应能力强。 文献。o 研究了顶端质量自由梁发生弯曲振动时，伪弹性形状记忆合金丝被动阻尼 控制的效果。s t , t a 行为的建模使用了依赖于振幅的复杂模量。数值模拟显示由s m a 丝带 入的阻尼将提高外加激振的振幅，从而使s i a 丝中有较高的应变水平。在低激励振幅的 情况下，增加合金丝的截面积也能够增加阻尼，但是在高激励振幅的情况下就正好相反， 即增加合金丝截面积会减少阻尼。自由梁和s m a 丝之间的角度是一个极具影响力的参数， 研究表明在1 0 - 2 0 。的范围内时能够产生最大的阻尼。系统阻尼仅在一定程度上受到s m a 丝长度的影响，与顶端质量无关。 文献陋1 发现在高于a f 的温度时，在n i t i 形状记忆合金中所观察到的伪弹性应力 一应变滞回行为可以用于多种被动阻尼结构。该研究中使用复合模量来显示n i t i s m a s 的阻尼行为，被广泛用于在结构动力学中描述阻尼材料。结果表示，随着激励 频率的增加，损耗系数( 阻尼的一种量度) 最初急速下降，在6 1 0 h z 下的损耗系数值 大约是其低频率下的5 0 ，但是如果频率继续增加的话，损耗系数就没有明显的降低了。 随着循环应变幅度的增加，储能模量( 刚度的一种量度) 最初急速下降，表示了材料在 位移幅度增加时发生软化。随着静应变截距的增加，损耗系数降低，而储能模量增加。 损耗系数在温度高于9 0 下( 3 2 2 c ) 时会降低，而储能模量在1 3 0 下( 5 4 4 c ) 以上将 明显增加。实验的应力一应变滞后回路以及理想的基于复杂模量特性的回路在小的应变 幅度下较符合，而在大的幅度下就会不同。尽管如此，从理想的和实验得到的滞后回路 中估算出的能量耗散在整个循环应变幅度上很吻合，这显示了复合模量能够很好地用束 9 江苏大学硕士学位论文 估算s m a s 的减震能力。 文献1 研究确定了n i t i 基形状记忆合金的伪弹性滞后阻尼特性。研究表明了在 轴向载荷下，循环、振动频率、应变幅度以及温度对s m a 丝的伪弹性应力应变滞回的影 响。实验数据既有从奥氏体完全转变为马氏体时的滞后现象获中得的，也有部分转变时 获得的。实验结果显示，当激励频率提高时，则要在更高的应力下才会发生从孪晶马氏 体开始向奥氏体转变的逆相变，同时，滞回回线的面积也将降低。能量耗散经历最初的 迅速降低后，在频率增加到大约1 0 h z 时，其值趋于稳定。在1 0 h z 的频率下，发生的能 量耗散大约只相当于在较低频率下的5 0 。高温下的能量耗散比在9 0 t ( 约为3 2 2 c ) 时的大约低4 0 。 文献幽1 回顾了在民用建筑中使用形状记忆合金对动态响应进行的被动控制。描述了 一类重要的中心抽头的s m a 减震装置( c d 。内容包括了：( 1 ) 民用建筑中所要求阻尼 的特性以及被动阻尼研究；( 2 ) 与民用建筑相关的s m a 行为的特性；( 3 ) s m a 被动减 震装置技术的综述以及对于c t 装置操作和结构的描述；( 4 ) 为证实c t 装置的行为提 出一种了大致的实验纲要，其具体结果见于地震工程技术中心的另一篇论文：( 5 ) 综述 了在现存的一个无延性混凝土建筑的改建中应用s m a 减震装置的设计性研究。 而c u z n a l 形状记忆合金由于存在晶粒粗大，马氏体稳定化等缺陷，大大限制了它的 应用。课题组在前期工作中对这两方面作了研究：( 1 ) 在合金中加入复合稀土( l a + c e ) ， 使晶粒尺寸从0 5 o 6 m m 下降到0 1 o 2 m m ，机械性能也大为提高，满足热轧和冷轧 要求，同时还提高了合金抗记忆疲劳性能嗡矧；( 2 ) 加入复合稀土后再采取两级时效 的热处理工艺方法防止马氏体稳定化的效果最好嘲。 文献啪研究了条状铜基形状记忆合金的机械性能及其在耗散振动能方面的应用。马 氏体态的条状c u z n a l n i 形状记忆合金经过两种不同处理过程后( 热轧或冲压) ，经历拉 一压载荷的循环测试，得出的结果是一个由应变幅度、颗粒尺寸以及频率表示的函数。 应力一应变回路关于中心不对称而且比较平稳，尤其是当应变在2 以上时，弹力的有 效模量随着应变显著降低。在滞后循环中，1 2 的等效阻尼是由于强制应变的增大而引 起的。在断裂前获得的最大拉应变可以达到3 5 。在振动应用中频率对阻尼的影响很 小。此次研究的条件下，由两种不同处理方法制得的条状合金表现出相似的机械性能。 合金断裂的主要原因在于晶界的脆性。 o 江苏大学硕士学位论文 文献对形状记忆合金被动元件在建筑结构中抑制振动的可行性应用进行了初步 研究。研究中使用了一个单层试验模型。机构由形状记忆合金在对角构成支撑，在支架 受到激发将研究中所使用的s 姒丝的基本行为根据实验构造了个针对s m a 超弹性或 者伪弹性性能的模型，并将结果同l e x c e l l e n t 和b o u r b o n 在1 9 9 6 年针对s m a 结构模 型所作的数值模拟进行比较。测试了t i - - n i 形状记忆合金在循环下的热力学模型以及 c u z n a 1 合金在等温波状的拉力作用下的模型。形状记忆合金一维的基本行为：由不 变的材料函数推导出热机械性能，并重新定义了马氏体内变量。单自由度的结构体系也 同样用来试验性地校准结构参数。实验校准得出的结构模型以及s m a 基本模型随后被用 在数值模拟中来预测在建筑结构中应用s m a 加固丝以后，受到基本输入后的动态响应， 其结果显示出了与实验数掘的吻合。将这些结果同使用普通钢加固丝以及完全没有加固 时的情况进行比较。结果显示，s m a 被动装置可以被用来通过引入附加刚度来有效地抑 制振动，从而使系统的固有频率与共振分开，或者通过伪弹性滞回提供附加的能量耗散。 s m a 阻尼是自适应的，当载荷自然无序时同样有用。当出现意外激励导致过多的振动时， 更多的能量将通过更多的s m a 伪弹性滞回循环来耗散。因此，振动最终将得到减轻。数 值模拟同样显示了s m a 机构比研究得到的粘滞阻尼耗散更多的能量。 文献3 研究了在相变过程中和马氏体状态下c u - - 1 3 2 4 a i - - 3 n i ( w t ) 多晶试样 的滞弹性和弹性特性。为了消除任何短暂的影响，应该在2 9 3 k 到4 7 3 k 之间等温，同 时在一个大频带( 1 0 - 3 h z 到4 0 h z ) 实施测量。首先，在淬火态下测得有较高的阻尼水 平。然后，马氏体相中进行时效导致了内耗不可逆转地变小。这种影响是由于多种界面 通过淬火空位闭合所引起的。其次重要的结果是急剧增加的阻尼证明了马氏体相变( 由 奥氏体向马氏体) 的发生，而逆转变( 马氏体向奥氏体) 并没有直对内耗产生影响。 这些影响，相较于那些以前在n i t i 合金上所观察得到的，归因于由结构缺陷的相互作 用造成界面迁移的滞塞。研究还指出了位错以及或者是在滞塞过程中的n i a l 沉淀可能 起的作用。 文献“”给出了在铜基形状记忆合金中，与马氏体转变和相应的滞后循环相关的母 相、马氏体相共存的实验结果。确定了在马氏体相和母相中共存的影响以及相变温度( m 。) 的变化是由于母相中的时效所引起的。经过若干年的持续测量( 主要是在c u z n a 1 合金上的) ，确定：( a ) 相变温度随母相中时间和温度的变化( 幅值接近于环境温度变 江苏大学硕士学位论文 化的1 5 ) ；( b ) 相变温度变化与相的共存有关( 接近5 k ) ；( c ) 淬火后存在的残余马 氏体可以经过中子衍射来部分指示。基于实验结果形成的模型描述了滞后回线和内部循 环。在模型中包括了扩散作用，也很好地反映了m ，随时间的变化，以及滞后行为。模拟 的结果可以预测长期工作后材料的阻尼性质。 2 6 2 形状记忆合金的本构方程研究现状 s m a 的本构关系主要可以分为三类；第一类是基于热力学理论导出的；第二类是基 于粘塑性理论提出的；第三类是基于晶体理论模型提出的。 基于热力学的t a n a k a 等的本构模型”，最早是由t a n a k a 等阢蚓提出，t a n a k a 以 一维应力状态的s m a 试件为研究对象，利用热力学第一定律和第二定律，引入应变、温 度和马氏体体积分数作为状态变量，并由h e l m h o l t z 自由能推导出增量形式的一维s m a 的本构模型： 彦：丝叠+ 旦! 于+ 旦! 彳：d 害+ o f + q 毒 ( 1 一1 ) a so t 粥 其中，0 为k i r c h h o f f 应力，为g r e e n 应变，e 为马氏体体积分数，t 为温度，d 为 杨氏模量， 为热弹性模量，q 为相变模量。 t a n a k a m 删、m a g e e 提出在马氏体相变过程中，、o 和t 呈指数关系： 马氏体正相变时，掌= l - e x p a 。( 以一丁) + 比盯】 马氏体逆相交时，善= c x p a 。( 一。- t ) + 见盯】 式中，a 、a - 、b ，b - 是与m r 、眦、 。和a 。相关的参数；通常取0 0 1 0 9 9 ，这是因 为当e = 0 或1 时两式出现奇异性。该本构关系虽然简单，但只能对s m a 的受力作定性 分析且只适合一维情况。 为克服t a n a k a 本构模型缺陷，l i a n g n 5 3 等提出了另外一种g 、0 和t 的关系，即： 马氏体正相变时，孝= 寺 c o s a ( r 一4 ) + 钆盯】+ 1 ) 二 1 马氏体逆相变时，善= 去 c o s 【口( r m ，) + b u 盯】+ 1 ) 其中，a 。，b 。、a l 和b 。是与地、地、a 、和a 。相关的参数：c 和c 。为材料常数，表示应力对 1 2 江苏大学硕士学位论文 温度的影响程度。 l i a n g 还对式( 1 1 ) 积分，将t a n a k a 的本构模型改为增量形式，即： p c r o ) = d ( e 一岛) + o ( t 一瓦) + q g 一磊) 其中，下标0 表示初始状态。 改进后的t a n a k a 本构模型仍不能解释马氏体相的重定向，针对这一不足，b r i n s o n 嘲 将马氏体的体积分数表示为： = s + t 其中，为应力诱发