第4章形状记忆合金

智能材料与智能系统、形状记忆合金及其在智能结构中的应用、形状记忆合金复合材料及其智能性能、NiTi合金丝复合材料、NiTi形状记忆合金颗粒复合材料、NiTi合金丝复合材料、预应变NiTi形状记忆合金复合成基体材料，NiTi线由电加热激励。当温度高于砷时，它将在不受约束的状态下恢复到其原始长度。如果恢复过程受到边界条件的限制，NiTi合金将产生恢复应力。NiTi线的力学行为随着激发温度的变化而变化。原理，NiTi合金丝复合材料，原理，从图中可以看出，未受激励的NiTi线弹性模量为34.5GPa，屈服应力为275.8兆帕，受激励的NiTi线弹性模量为69GPa，屈服应力为965兆帕。可以看出，由激发引起的相变导致材料内部性质的巨大变化。人们利用这一原理将形状记忆合金线或颗粒用作复合材料的增强剂。NiTi合金丝复合材料，步骤1，形状记忆合金处于奥氏体状态，复合在基体中；(2)将复合材料冷却到Mf以下，使形状记忆合金处于马氏体状态；(3)使复合材料变形；(4)当温度升高到砷以上时，形状记忆合金的收缩受到基体的约束，这在复合材料中产生压应力，从而改善复合材料的拉伸性能并自动闭合内部损伤裂纹。NiTi合金丝复合材料，分析，预应变NiTi合金丝复合在基体材料中，NiTi合金丝在热激励后，试图收缩L长度，如图4-23所示。NiTi线回复力作用在基材上，使基材压缩X，基材阻止NiTi线回复力，相当于L1=L-X对NiTi合金丝施加拉力使其伸长。NiTi合金丝(表面绝缘处理)复合在ZL-105铝合金基体上后，NiTi合金丝大大降低了裂纹附近的应力和张开位移。利用NiTi合金的伪弹性特性，抗裂纹萌生寿命可提高2.3倍，裂纹从0.68毫米扩展到1.22毫米的疲劳寿命可提高1.83倍。利用NiTi合金热激励产生的恢复力，裂纹萌生寿命可提高4.68倍，裂纹从0.68毫米扩展到1.22毫米的疲劳寿命可提高3.95倍。可见，NiTi记忆合金丝具有明显的裂纹抑制作用。NiTi合金丝复合，结论，NiTi合金颗粒复合，原理，金属基复合金属基复合材料具有一系列类似于金属的特性。与树脂基复合材料和目前广泛使用的其他复合材料(如陶瓷基复合材料)相比，它作为一种结构材料具有高强度、高弹性模量、高韧性和冲击性能。然而，金属基复合材料也存在一些问题。它们通常使用高温制备，然后冷却，将增强剂复合到金属基体中。由于增强剂和基体之间的膨胀系数不同，在复合材料中经常产生残余应力。在大多数金属基质细胞中。增强剂的膨胀系数小于基体的膨胀系数，从而在金属基复合材料中形成拉应力。这种拉伸应力将大大降低屈服强度。当增强剂的膨胀系数大于基体的膨胀系数时，基体的残余应力为压应力，可以提高屈服强度，尤其是断裂韧性KIC。SMAs复合到金属基体中，利用SMAs的记忆效应在基体中形成压应力，提高强度和弹性模量。基于形状记忆效应原理，颗粒可以具有自增强基体的特性。自我增强的机制简述如下。(1)假设颗粒近似为球形，均匀分布在铝基体中，颗粒和基体完全结合在一起形成弹性体，如图4-24(a)所示。通过处理使颗粒母相转变的终止温度Af低于使用温度，使得颗粒在使用温度下处于母相状态。(2)将温度降低到马氏体转变结束温度Mf以下，以使颗粒处于马氏体状态，如sho由于基体的约束作用，颗粒不能恢复为球形，在样品的拉伸方向产生压应力，从而提高复合材料的抗拉伸变形能力，起到增强作用。NiTi合金颗粒复合材料的机理、形状记忆合金的应用、冲击韧性的改善、裂纹产生和扩展的主动控制、振动的主动控制、良好的“自适应”疲劳耐磨性，作为自适应紧固件、连接器和垫圈、热控制器、医疗应用、智能机械、航空航天技术中冲击韧性的改善、应用，一些聚合物材料由于在装载和卸载期间没有塑性屈服而变脆，冲击韧性通常很低，例如，石墨/树脂复合材料在使用中最大的缺点是不耐冲击。当应力超过屈服强度时，复合材料将不会塑性屈服，并将显示出突然的灾难性断裂。有些人用橡胶增韧，在复合材料内部形成热塑性纤维/基体界面层，但效果并不理想。编织成网的NiTi记忆合金丝附着在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。对比NiTi记忆合金、聚合物和金属材料(铝、不锈钢)发现，当超过NiTi记忆合金马氏体相变的临界应力时，应力诱导相变吸收能量并产生5%的可恢复应变，而铝合金和304不锈钢已经产生不可恢复的塑性，表明NiTi记忆合金在断裂前能吸收大量能量。裂纹产生和扩展的主动控制、应用、裂纹和损伤的主动检测和控制是当前实际工程中非常突出和迫切需要解决的问题。航空航天器、运输机械、起重机、桥梁和管道等大型设备中的一些关键受力部件对裂纹和损伤非常敏感，一旦发生就会造成重大事故。然而，传统技术和方法无法检测到部件中裂纹的产生和扩展。根据NiTi合金的高电阻率和应变灵敏度等特点，可制成电阻应变仪。借助应变仪测试原理，NiTi合金丝可用于检测部件中的裂纹。将NiTi记忆合金丝复合成环氧树脂，当裂纹扩展到所需的控制范围时，位于裂纹处的NiTi合金丝通电加热。当温度超过As时，NiTi线恢复，恢复力使裂纹闭合或裂纹张开位移减小。应用，主动控制裂纹的产生和扩展，应用，主动控制振动，选择柔性聚合物材料作为梁，在块的末端增加一个质量m来调整固有频率。预应变为4%的马氏体状态的NiTi线(直径：0.46毫米)被添加到梁的两侧作为驱动部件，预应变为1%的伪弹性NiTi线(直径：0.2毫米)被添加到梁的一侧作为传感部件。给定悬臂梁末端的某一初始位移，分别在主动阻尼控制系统不工作和工作的两种状态下测量系统自由振动衰减的时间历程，如图4-30和4-31所示。从图中可以看出，主动阻尼控制系统工作后，振动明显得到抑制。NiTi形状记忆合金振动主动阻尼控制试验和仿真结果表明，NiTi形状记忆合金能够灵敏地感知振动并有效地抑制振动。其显著特点是通过加热或冷却NiTi丝产生驱动力，加热和冷却都需要一定的时间，因此限制了NiTi合金的应用范围，仅限于控制低频振动。主动振动控制，应用，应用，形状记忆合金良好的“适应性”疲劳耐磨性。最近的研究表明，形状记忆合金除了具有形状记忆性、假弹性和高阻尼外，还具有良好的耐磨性。普通金属材料(如碳钢)的弹性应变小于0.2%。当磨粒被压入材料表面时，塑性变形的可能性较大，而弹性变形的可能性较小。因此，当与具有高硬度的摩擦副配对形成双体磨料磨损时，它将显示更高的磨损率。一般来说，弹性应变值磨损过程如图4-33 (a)-(d)所示，而NiTi记忆合金在伪弹性状态下的弹性应变值高于8%，比普通金属高1-2个数量级。微凸体有足够的弹性变形来抵消 A。微凸体在接触过程中经历完全的弹性变形，在分离过程中恢复到接触前的形状和尺寸(图4-33(e)和(f)，即没有材料损失。因此，伪弹性似乎带来了磨削表面的“适应”能力，对磨削表面的损伤较小。这就是形状记忆合金的耐磨机制。形状记忆合金具有