形状记忆合金金属橡胶的制备及性能试验研究

形状记忆合金金属橡胶的制备及性能试验研究

形状记忆合金金属橡胶材料的开发自20世纪60年代提出并应用了基础隔震技术以来，隔震技术已被视为减少土木工程结构地震损害的最有效手段之一。然而目前开发成型的各种隔震装置仍存在一些丞待解决的问题,例如:由于隔震器水平刚度很小,往往导致地震中装置的水平向变形很大,为避免隔震器失效,必须采用附加的限位装置,这增加了隔震器的复杂性和造价;此外,在发生不可预测的强震后,某些类型的隔震器可能会产生残余变形(如铅芯叠层橡胶隔震支座或采用某些被动阻尼器的隔震支座)甚至导致隔震装置的破坏失效,如果不及时更换或修复隔震器,则装置很难有效地抵抗下一次地震。历次震害经验告诉我们,每次强烈地震发生后都伴随着一系列余震,且在主震过后的几天之内,余震发生的频率和强度都比较大,而在这几天之内又恰恰是社会秩序极为混乱的阶段,主震之后立即对有问题的隔震支座进行维修和替换是不现实的。因此开发具有变形自复位功能以及自限位功能的新型隔震装置十分必要。金属橡胶(MetallicPseudo-Rubber,简称MPR)是一种多孔材料,在20世纪60年代由前苏联萨马拉国立航空航天大学的学者最早研制发明。传统金属橡胶材料通常采用直径0.1mm～0.5mm的不锈钢丝制成,首先将不锈钢丝卷成螺旋卷,再经过编织、冲压等工艺使其成为具有一定形状的金属橡胶制品。该材料具有橡胶般的优良弹性,可承受较大变形,同时相对于普通橡胶而言,又具有耐久性、耐腐蚀性好,不易老化等优点,故而得名。根据大量有关金属橡胶材料力学性能的文献,金属橡胶材料的应力应变滞变性能具有应变硬化特征,即当应变达到某一特定值时,材料切线弹性模量和恢复力急剧增加,可防止材料产生进一步过大的变形,因而采用金属橡胶材料开发的隔震器不需要另外附加自限位装置。尽管金属橡胶材料可以承受较大变形,但当其应变幅值超过某一限值,材料仍会产生残余变形。如采用马氏体形状记忆合金丝代替普通不锈钢丝制备金属橡胶则可以解决这一问题。马氏体形状记忆合金具有形状记忆效应,当温度超过奥氏体相变结束温度Af时,材料变形可以自动恢复,因而当采用该材料制备的金属橡胶隔震器在地震作用中产生残余变形时,地震后只需对隔震器进行加热,其残余变形可自动消失,这也正是本文提出的构想。20世纪90年代开始有研究者提出利用马氏体形状记忆合金的形状记忆效应进行结构构件的损伤修复,但利用马氏体形状记忆合金丝开发金属橡胶的研究目前尚属空白。作为开发新型形状记忆合金金属橡胶隔震器的基础研究工作,本文研究并制备了三种具有不同加工工艺的形状记忆合金金属橡胶材料,对其力学性能和变形自复位性能分别进行了试验研究。首先测试了上述三种材料在不同频率正弦循环压缩荷载作用下的力学性能;然后将三种类型的形状记忆合金金属橡胶试件压缩至产生残余变形,将其放入温控箱内对其加热,测试这些试件的变形自回复性能;为了研究形状记忆合金金属橡胶在变形回复后是否仍具有稳定的力学性能,将这些试件再次安装在试验机上并测试它们在正弦循环荷载下的力学性能。1试件的制备及加工工艺的确定本文采用的形状记忆合金金属橡胶由哈尔滨工业大学金属橡胶技术研究中心制造,其原料采用直径0.2mm的马氏体形状记忆合金细丝,材料相变温度如下:马氏体相变结束温度Mf=10.8℃,马氏体相变开始温度Ms=57.3℃,奥氏体相变开始温度As=35.8℃,奥氏体相变结束温度Af=74.2℃。为了研究形状记忆合金金属橡胶的制备工艺,使材料既具有稳定的力学性能,同时其变形自回复功能又具有良好的可控性,本文一共制造了三种不同加工工艺的试件。第一类试件(简称A类试件),其加工过程可分为以下三个步骤:①将细金属丝经拉拔、缠绕成为微螺旋弹簧卷;②将微螺旋弹簧卷按一定方式编织成网状,并将网片折叠为毛坯(毛坯形状取决于产品的形状);③将毛坯放入一定形状的模具内冲压成型。在本试验中,螺旋弹簧卷外径为1.7mm,毛坯成型压力5t/cm2。第二类试件(B类试件)加工时在前述的第一步和第二步之间进行热处理,即在第一步结束后第二步开始前将微弹簧加热到500℃并持续30min,然后冷却到300℃。在第三种试件(C类试件)的成型过程中,按照前面的方法进行两次热处理,一次在第一步、第二步之间,另一次在第三步结束之后。为了测试形状记忆合金金属橡胶的力学性能及其变形自回复能力,一共制备了9个具有不同相对密度的试件,试件的几何物理参数见表1。试件的相对密度定义为试件宏观密度与试件所用金属丝密度之比,如式(1):ρ=ρ′ρ′′(1)ρ=ρ′ρ″(1)式中:ρ′=m/v,为试件的宏观密度,m和v分别为试件的质量和体积;ρ″为试件所采用的马氏体形状记忆合金丝的密度。相对密度ρ实质上反映了试件的孔隙率。2压缩性能试验2.1试验设备和数据采集形状记忆合金金属橡胶的力学性能试验是在哈尔滨工程大学力学实验中心的INSTRONTM8801电液伺服动力疲劳试验机上完成的。试验过程中由试验机上的力传感器和位移传感器采集试件的力和变形数据,并根据试件尺寸换算得到应力、应变。试验中对试件施加沿冲压成型方向的正弦压缩循环荷载,应变幅值分别为5%、10%、15%、20%,循环加载频率为0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz、3Hz和5Hz,每种工况下加卸载循环各10圈。2.2应力-应变本构模型的建立图1(a)给出了相对密度为0.23的试件应变幅值为20%的应力-应变曲线。从图中可以看出,形状记忆合金金属橡胶压缩应力-应变曲线加载段表现出一定的应变硬化特征,即在曲线的加载段,材料切线弹性模量随应变幅值的增加而增大。出现这种现象是由于试件内部的微弹簧相互作用引起的。形状记忆合金金属橡胶试件的宏观恢复力主要来自于试件内部众多微弹簧卷的弹性恢复力和弹簧卷间的摩擦力,随着试件变形的增加,试件体积变小,单位体积内的微弹簧卷数量增多,更多的微弹簧卷相互挤压产生摩擦,导致材料宏观恢复力增长较快,从应力-应变曲线上看就是材料的切线弹性模量随应变数值增加而增大。从图中还可以看出,形状记忆合金金属橡胶的压缩应力-应变曲线具有滞变特性,即材料具有一定的滞变耗能能力,并且加卸载循环对材料的力学性能影响很小,各圈加卸载应力-应变曲线重合得很好,表明材料的力学性能十分稳定,不随加卸载循环而退化,这些性能对于开发新型隔震装置都是有利的。图1(b)和图1(c)绘出了相对密度分别为0.23和0.25的两个A类试件在不同应变幅值下的压缩应力-应变曲线,因为加载循环对试件应力-应变性能影响很小,因而为清晰观察试验结果,图中只给出了各工况最后一圈加卸载循环的应力-应变曲线。从图中可以看出相对密度大的试件其相同应变幅值下的恢复力也较大,这是因为相对密度大的试件单位体积内所用的形状记忆合金丝材多,试件内部微弹簧卷多,因而其宏观的恢复力也相对较大。为研究加载频率对形状记忆合金金属橡胶压缩应力-应变性能的影响,图2绘出了相对密度分别为0.23和0.25的A类试件在不同频率正弦循环荷载作用下的应力-应变曲线,从图中可以看出加载频率对材料应力-应变滞变性能无显著影响,因此形状记忆合金金属橡胶可视为力学性能与加载频率无关的材料。为测试形状记忆合金金属橡胶不可恢复应变的限值,在全部试验结束后对上述试件分别施加幅值为30%、40%和48%的压缩应变,当应变幅值为30%、40%时试件没有明显的残余变形,而当应变幅值达到48%时,试件应变不能完全恢复,存在残余变形,残余应变约为6%,因此判断试件的可回复变形限值在40%～48%之间。图3(a)和图3(b)分别为B类和C类试件(相对密度0.23)在加载频率0.05Hz、应变幅值为20%时的应力应变曲线。从图中可以看出,加卸载循环次数对B类试件应力-应变性能基本没有影响;C类试件应力-应变性能在加载初期随加卸载循环次数增加退化很明显,但第三圈加卸载循环结束后试件的应力-应变性能逐渐稳定,第五圈加卸载循环之后试件应力-应变曲线表现出良好的重复性。从图中还可看出,B类试件的恢复力和切线弹性模量比A类试件大,而C类试件恢复力和切线弹性模量比B类试件大。从试验结果还可看出,B类试件仍有较好的弹性变形能力,但C类试件在20%应变幅值下就已产生了约4%的残余变形,说明热处理次数会影响试件可回复变形能力。此外,本文还测试了B类和C类试件在不同频率循环压缩荷载下的应力-应变曲线,试验结果表明,加载频率对B类和C类试件的应力-应变性能也几乎没有影响。3不同制造工艺的变形自修复能力3.1试件变形回复和变形补偿为研究形状记忆合金金属橡胶材料变形自回复能力以及变形回复后的力学性能,本文进行了以下试验:将A、B、C三类试件压缩至48%应变幅值使其产生残余变形,然后将有残余变形的试件放入温度箱内加热。由于形状记忆合金的形状记忆效应,当试件温度超过奥氏体相变结束温度Af时试件的残余变形将自动回复。在试件变形回复过程中,用位移传感器和热电偶同时测量试件变形和内部温度变化。试验中共采用了两个LVDT位移传感器测量试件变形,一个沿试件受压成型方向布置,另一个则垂直试件成型方向布置,分别测量试件在上述两个方向上的变形。将K型热电偶安装在试件内部尽可能深的位置,以便准确地测量试件内部温度。当试件变形回复后,将三种试件再次安装在INSTRON试验机上测试其力学性能。3.2a类试件“过回复”试验结果图4为三种试件在残余变形回复过程中的应变-温度关系曲线。观察试验数据可以发现,试件在与成型方向垂直方向上的变形很小,可以忽略不计,因而图4只给出了沿试件成型受压方向的应变值。图中的负应变值表示试件的残余应变,零应变值代表试件回复到原始尺寸,而出现正应变值则表示试件在变形回复过程中出现了“过回复”现象,即试件变形回复后的尺寸大于其原始尺寸。从图4中可以看出,当温度超过As(奥氏体相变开始温度,为35.8℃)时,三类试件的残余变形均开始回复。为了确保试件回复到原始尺寸,在试验过程中始终监测应变值并将其作为指标控制温度升降。观察图4的试验曲线可以发现,A类试件的变形回复速率较快,其变形回复过程较难控制,试件易出现“过回复”现象,这主要是因为试件中的形状记忆合金丝均试图回复到其最初的直线形状。B类试件的变形回复过程较慢,变形回复量较为容易控制,虽然B类试件也存在“过回复”现象,但其过回复应变值很小(约为0.25%),这是因为B类试件在变形回复过程中,试件内部丝材均记忆并回复到微弹簧卷的形状。与前两类试件相比较,C类试件具有最稳定和易于控制的变形回复性能,试件能够准确回复到原始尺寸,不出现“过回复”现象,这主要是因为C类试件在加工过程中所受到的热处理训练使试件“记忆”住了其原始尺寸。3.3变形回复前后的应力-应变变化规律为测试形状记忆合金金属橡胶试件在变形回复后是否仍具有稳定的力学性能,将变形回复后的上述三类试件再次安装在实验机上,对其施加压缩循环荷载,测试试件应力-应变曲线。图5绘制了三类试件变形回复后的应力-应变曲线。由于金属橡胶的力学性能与加载频率无关,因此只考虑了加载频率为0.05Hz的情况。为了便于比较,图5中同时给出了各类试件变形回复之前的应力-应变曲线。从图中可以看出,A类试件变形回复前后的应力-应变曲线相互吻合很好,说明该类试件在变形回复后仍具有稳定的力学性能。B类试件的恢复力较变形回复前有所降低,当应变幅值为20%时,试件的恢复力约降低19.5%。C类试件变形回复后其力学性能出现了明显的退化。因此从变形回复后滞变性能这一角度来看,A类和B类形状记忆合金金属橡胶是较为理想的隔震材料。4应力-应变滞变试验本文通过对三种不同成型工艺的形状记忆合金金属橡胶材料的性能试验研究,得到如下结论:(1)形状记忆合金金属橡胶应力-应变曲线具有应变硬化特征,且具有较好的滞变耗能能力。(2)加卸载循环次数对A类和B类试件的应力-应变滞变性能几乎没有影响;对于C类试件,应力-应变曲线在加载初期出现较