不同直徑NiTi形狀記憶合金棒材的超彈性試驗(yàn)研究

王 偉 邵紅亮

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海2000092）

不同直徑NiTi形狀記憶合金棒材的超彈性試驗(yàn)研究

王 偉1，2邵紅亮2，*

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海2000092）

處于奧氏體相態(tài)的形狀記憶合金在經(jīng)歷較大變形后仍然可恢復(fù)原狀，這一特性稱為超彈性。立足于工程應(yīng)用，對(duì)直徑分別為6 mm、12 mm和19 mm的三種NiTi形狀記憶合金棒材在常溫下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。主要考察其相變應(yīng)力、殘余應(yīng)變和耗能能力等力學(xué)特征隨應(yīng)變幅值與循環(huán)次數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，在相同加載速率下，國(guó)產(chǎn)19 mm直徑棒材的最大可恢復(fù)彈性應(yīng)變約為2.5%，與國(guó)外大直徑形狀記憶合金棒材的超彈性水平尚存在差距；12 mm直徑棒材的最大可恢復(fù)彈性應(yīng)變約為5%，可以應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，以獲得自回復(fù)性能。應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)對(duì)NiTi形狀記憶合金棒材的力學(xué)性能有重要影響，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)該予以考慮。

形狀記憶合金，超彈性，力學(xué)性能，鋼結(jié)構(gòu)，自回復(fù)

1 引 言

形狀記憶合金（shapememory alloy，SMA）是一種新型的智能材料。自1963年美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)NiTi形狀記憶合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)（shapememory effect，SME）之后，世界各國(guó)學(xué)者對(duì)SME的作用機(jī)理以及與之密切相關(guān)的超彈性效應(yīng)（Superelasticity Effect，SE）的作用機(jī)理進(jìn)行了廣泛研究，提出了一系列與溫度、相變應(yīng)力有關(guān)的一維和三維本構(gòu)模型。形狀記憶合金不僅應(yīng)用于航天、醫(yī)療等領(lǐng)域中，還廣泛應(yīng)用于具有高度自適應(yīng)能力的智能結(jié)構(gòu)中［1，2］，從而為土木工程領(lǐng)域的發(fā)展提出了新的方向。

形狀記憶合金一般具有兩種晶體狀態(tài)：奧氏體狀態(tài)（Austenite Phase）和馬氏體狀態(tài)（Martensite Phase），其中奧氏體狀態(tài)又叫做母相（Parent Phase）。奧氏體向馬氏體狀態(tài)轉(zhuǎn)變被稱之為正相變，反之則為逆相變。當(dāng)溫度高于馬氏體并達(dá)到奧氏體相變的完成溫度Af時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體會(huì)隨著應(yīng)力的消失而消失，即使不加熱也會(huì)發(fā)生馬氏體逆相變而恢復(fù)到原來的母相狀態(tài)，應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也將隨著逆相變的進(jìn)行而完全消失，這種特性即是形狀記憶合金的超彈性。超彈性是形狀記憶合金最具工程應(yīng)用價(jià)值的力學(xué)特性之一。Deroches等［3］對(duì)一25.4 mm直徑的NiTi棒材進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)的結(jié)果表明，大直徑SMA棒材的可恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)到6%，并且具有較好的能量存儲(chǔ)和傳輸能力。形狀記憶合金與普通鋼材（Q235）的力學(xué)性能對(duì)比如表1所示。

Miyazaki［4］最早對(duì)NiTi形狀記憶合金超彈性行為進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，討論不同溫度下，拉伸-卸載和循環(huán)加載下的NiTi形狀記憶合金的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。Orgeas等［5］研究了應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的熱力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金表現(xiàn)出明顯的拉壓非對(duì)稱性。Liu等［6］對(duì)拉壓非對(duì)稱性現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究，揭示該效應(yīng)的微觀機(jī)理。Nemat-Nasser等［7］研究發(fā)現(xiàn)超彈性與加載應(yīng)變率密切相關(guān)，且其影響隨應(yīng)變率的增加而增加。然而，Liu等［8］的研究表明，隨著應(yīng)變率的持續(xù)升高，在一定范圍內(nèi)，超彈性對(duì)應(yīng)變率的敏感性將會(huì)消失。

形狀記憶合金材料一次加、卸載循環(huán)對(duì)應(yīng)的典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。其中，σMs、σMf、σAs和σAf分別為馬氏體相變開始時(shí)應(yīng)力、馬氏體相變結(jié)束時(shí)應(yīng)力、奧氏體相變開始時(shí)應(yīng)力和奧氏體相變結(jié)束時(shí)應(yīng)力。εmax、εres為一次循環(huán)加載的應(yīng)變幅值和殘余應(yīng)變。ΔW為滯回曲線所包圍的面積，即超彈性SMA在一個(gè)加卸載循環(huán)內(nèi)的能量耗散值。W為曲線OAB與應(yīng)變軸所包圍的面積，即超彈性SMA在一個(gè)加卸載循環(huán)內(nèi)的總應(yīng)變能定義為等效阻尼比。

圖1 超彈性SMA力學(xué)性能指標(biāo)Fig.1 Mechanical parameters of superelastic SMA

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)形狀記憶合金超彈性力學(xué)性能的研究，主要集中于絲材［9］、彈簧以及小尺寸的棒材［10］，而對(duì)國(guó)產(chǎn)大直徑棒材的超彈性研究較少。本試驗(yàn)將研究6 mm、12 mm和19 mm三種直徑的國(guó)產(chǎn)形狀記憶合金棒材在室溫條件下的力學(xué)行為，主要考察其相變應(yīng)力、殘余應(yīng)變和耗能能力等力學(xué)特征參數(shù)隨應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用西安賽特金屬材料開發(fā)有限公司生產(chǎn)的直徑分別為6 mm、12 mm和19 mm的Ti－55.82at%Ni超彈性型形狀記憶合金棒材，其標(biāo)定臨界相變溫度Af＝－5℃。其中，直徑為19 mm的棒材設(shè)計(jì)成兩種試件：一種為熱軋加工態(tài)，一種為退火態(tài)；直徑為6 mm和12 mm棒材均設(shè)計(jì)為退火態(tài)。退火態(tài)棒材采用500℃～550℃加工，為了獲得更好的超彈性性能，試件加工完成后繼續(xù)在400℃環(huán)境中保溫30 min，之后再進(jìn)一步水淬。材性試件按圖1和表2所示尺寸加工，加工完成的材性試件實(shí)物見圖3。

圖2 材性試件加工圖Fig.2 Dimensions ofmaterial specimens

圖3 材性試件實(shí)物圖Fig.3 Material specimens

表2 材性試件加工參數(shù)Table 2 Parameters ofmaterial specimens

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的SHT4系列微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（圖4），采用量程為2 000 kN的力傳感器測(cè)量荷載，采用標(biāo)距為50 mm的MTS引伸計(jì)來測(cè)量位移，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過PowerTest V3.4試驗(yàn)軟件自動(dòng)采集。試驗(yàn)前，將六根編號(hào)為SA-19、CL-19、SA-12、CL-12、SA -6和CL-6的NiTi形狀記憶合金棒材試件在冷水和沸水中各放置5 min，以相同方式進(jìn)行5次冷熱循環(huán)處理以穩(wěn)定SMA棒材的力學(xué)性能。最終將試件從沸水中取出后在室溫下自然冷卻。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental setup

2.3 加載制度

（1）對(duì)編號(hào)為SA-19（加工態(tài)）的試件進(jìn)行應(yīng)變幅值遞增的加卸載循環(huán)拉伸試驗(yàn)，加載和卸載均由引伸計(jì)應(yīng)變控制。試件SA-19（加工態(tài)）的加載制度為以應(yīng)變幅值1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%和11%各循環(huán)一圈。

（2）對(duì)編號(hào)為SA-19（退火態(tài)）、SA-12和SA-6的試件進(jìn)行應(yīng)變幅值遞增的加卸載循環(huán)拉伸試驗(yàn)，加載和卸載均由引伸計(jì)應(yīng)變控制。試件SA-19（退火態(tài)）的加載制度為以應(yīng)變幅值1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%各循環(huán)一圈；試件SA-12和SA-6的加載制度為以應(yīng)變幅值1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%和6%各循環(huán)一圈。

（3）對(duì)編號(hào)為CL-19、CL-12和CL-6的試件分別進(jìn)行多圈循環(huán)拉伸試驗(yàn)，加載和卸載均由引伸計(jì)應(yīng)變控制，加載速率為7×10-5／s，卸載速率為1.4 ×10－4／s。試件CL-19的加載制度為以應(yīng)變幅值2.5%循環(huán)20圈；試件CL-12和CL-6的加載制度為以應(yīng)變幅值5%循環(huán)20圈。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱處理工藝對(duì)NiTi形狀記憶合金棒材超彈性的影響

圖5繪制了熱處理工藝對(duì)形狀記憶合金的超彈性性能的影響曲線。比較圖5（a）和圖5（b）可以看出，同為直徑19 mm的棒材，加工態(tài)形狀記憶合金的可恢復(fù)彈性應(yīng)變?yōu)?.5%，而退火態(tài)形狀記憶合金的可恢復(fù)彈性應(yīng)變?yōu)?.5%。此外，退火態(tài)形狀記憶合金在拉伸到4.5%應(yīng)變時(shí)的殘余應(yīng)變約為1.8%，而加工態(tài)形狀記憶合金在拉伸到同樣應(yīng)變幅值時(shí)的殘余應(yīng)變約為2.8%，即后者殘余應(yīng)變較前者更大。由此可見，熱處理工藝可以改善形狀記憶合金的超彈性性能。

圖5 加工態(tài)和退火態(tài)SA-19試件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Effect of annealing treatment on stress-strain curve of SA-19 bar

從圖5（a）可以看出，棒材在加載到10%應(yīng)變幅值之后繼續(xù)加載，當(dāng)加載應(yīng)變達(dá)到9.5%時(shí)棒材發(fā)生脆性斷裂，斷口平齊，無明顯頸縮現(xiàn)象（圖6）。

圖6 加工態(tài)形狀記憶合金斷口形狀Fig.6 Fracture section of the SA-19 bar

3.2 應(yīng)變幅值對(duì)NiTi形狀記憶合金棒材超彈性的影響

圖7繪制了應(yīng)變幅值遞增循環(huán)拉伸時(shí)NiTi形狀記憶合金棒材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。可以看出，加載初期NiTi形狀記憶合金的正相變平臺(tái)相對(duì)穩(wěn)定，但是逆相變平臺(tái)隨著應(yīng)變幅值的增大而不斷降低，且下降幅度較正相變平臺(tái)要大的多。SA-19試件在加載的應(yīng)變幅值超過3%之后，正向變平臺(tái)已經(jīng)開始顯著降低；而SA-12和SA-6試件在應(yīng)變幅值超過5%之后，正相變平臺(tái)才開始降低。

圖7 應(yīng)變幅值遞增循環(huán)拉伸時(shí)SMA棒材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Effect of strain amplitude on stress-strain curves of SMA bars

圖8 （a）繪制了應(yīng)變幅值遞增循環(huán)拉伸時(shí)馬氏體相變開始時(shí)應(yīng)力σMs的變化曲線?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變幅值的增加，σMs總體呈下降趨勢(shì)。如圖8（b）所示，超彈性SMA的殘余應(yīng)變?chǔ)舝es在循環(huán)拉伸荷載作用下將不斷積累。對(duì)于試件SA-19，當(dāng)εmax小于2.5%時(shí)，殘余應(yīng)變較小，殘余應(yīng)變累積的速率也較小；當(dāng)εmax大于2.5%時(shí)，累積速率開始增大，殘余變形也更大。這是因?yàn)楫?dāng)應(yīng)變幅值足夠大時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變結(jié)束后，材料已經(jīng)完全處于馬氏體狀態(tài)，繼續(xù)加載時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆的馬氏體彈塑性變形，這部分變形即使在卸載時(shí)仍然無法恢復(fù)。由此可見，應(yīng)變幅值越大，NiTi形狀記憶合金棒材的殘余應(yīng)變也越大。

如圖8（c）所示，SA-19、SA-12和SA-6試件的等效阻尼比ξeq隨著應(yīng)變幅值的增大而增大，當(dāng)加載的應(yīng)變幅值超過3%之后，ξeq增加的速度開始變慢。這主要是因?yàn)轳R氏體逆相變平臺(tái)的退化造成的。

圖8 應(yīng)變幅值對(duì)SMA超彈性的影響Fig.8 Effect of strain amplitude on themechanical properties of SMA bar

3.3 循環(huán)次數(shù)對(duì)NiTi形狀記憶合金棒材超彈性的影響

圖9繪制了應(yīng)變等幅循環(huán)拉伸時(shí)NiTi形狀記憶合金棒材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?？梢钥闯?，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，NiTi形狀記憶合金棒材的正逆相變平臺(tái)都將不斷降低；不僅如此，正逆相變平臺(tái)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生退化，且逆相變平臺(tái)的退化更加明顯。試件CL-6由于長(zhǎng)細(xì)比過大，在卸載過程中發(fā)生了屈曲現(xiàn)象。

如圖10（a）所示，試件CL-19的殘余應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷累積增大。加載初期，εres比較小，但是增長(zhǎng)速度卻很快；當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于4時(shí)，εres增長(zhǎng)速度下降，且逐漸趨于穩(wěn)定，這時(shí)材料已經(jīng)經(jīng)過“鍛煉”，開始呈現(xiàn)出明顯的完全超彈性。圖10（b）為試件CL-19在一個(gè)加卸載循環(huán)內(nèi)的能量耗散值ΔW隨著循環(huán)次數(shù)的變化曲線。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，ΔW不斷減小，且衰減速度先快后慢，最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)研究了不同直徑NiTi形狀記憶合金棒材在不同加載制度下的超彈性力學(xué)性能，著重考察了應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)的影響。主要結(jié)論如下：

（1）由于加工工藝和設(shè)備條件的限制，直徑為19 mm的國(guó)產(chǎn)NiTi形狀記憶合金并不能獲得良好的超彈性性能，其最大可恢復(fù)彈性應(yīng)變約為2.5%；而直徑為12 mm的NiTi形狀記憶合金在加載到5%應(yīng)變時(shí)，其殘余應(yīng)變小于1%，具有很大的工程應(yīng)用潛力；直徑為6 mm的NiTi形狀記憶合金在往復(fù)荷載作用下容易發(fā)生受壓屈曲，在工程中應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意。

（2）應(yīng)變幅值對(duì)NiTi形狀記憶合金棒材的性能有重要影響。當(dāng)應(yīng)變幅值超過某一特定值（2.5%或5%）時(shí)，國(guó)產(chǎn)NiTi形狀記憶合金棒材將經(jīng)歷較大的力學(xué)性能退化，其相變應(yīng)力減小，殘余應(yīng)變?cè)龃?，同時(shí)耗能能力也開始變小。

圖9 應(yīng)變等幅循環(huán)拉伸時(shí)SMA棒材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.9 Effect of cyclic loading on themechanical properties of SMA bar

圖10 循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA超彈性的影響Fig.10 Effect of cyclic loading on themechanical properties of SMA bar

（3）循環(huán)次數(shù)對(duì)NiTi形狀記憶合金棒材的性能也有重要影響。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，NiTi形狀記憶合金棒材的性能衰退先快后慢，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種“鍛煉”方法可以使得材料達(dá)到完全的超彈性。

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Experimental Investigation on M echanical Properties of Shape M emory Alloy Bars in Different Sizes

WANGWei1，2SHAO Hongliang2，*
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Shapememory alloys in austenite states can recover to the original shape after experiencing large deformations，which is called superelasticity.For the engineering application of this unique property，an experimental study was conducted on the mechanical properties of large-sized NiTi bars in the austenite states at room temperature.Themechanical parameters such as transformation stress，residual strain and dissipated energy were studied with different strain amplitude and cyclic loading.The experimental results indicate that the largest recoverable strain of domestic NiTi bar（19mm in diameter）is 2.5%，which lags behind the foreign NiTi bar.The 12mm-in-diameter NiTi bar is suggested to be applied to joints of the steel structure for a good recentering performace with themaximum recoverable strain of 5%.It should be considered during engineering application that themechanical properties of NiTibars is greatly influenced by strain amplitude and cyclic loading.

shapememory alloy，NiTi，superelasticity，mechanical property，steel structure，recentering

2013－05－07

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51038008）資助*聯(lián)系作者，Email：weiwang＠#edu.cn