用于阻尼器的不同直徑NiTi絲力學(xué)性能試驗(yàn)

黃　瑞，戴世群，鄭繼周，2( .山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安27000；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安27000)

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用于阻尼器的不同直徑NiTi絲力學(xué)性能試驗(yàn)

黃瑞1，戴世群1，鄭繼周1，2
( 1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271000；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271000)

摘要：通過(guò)對(duì)3種不同直徑NiTi形狀記憶合金絲進(jìn)行多工況循環(huán)加載試驗(yàn)，研究循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值和加卸載速率對(duì)等效剛度、單循環(huán)耗能以及阻尼特性的影響。研究表明：經(jīng)過(guò)多次加卸載循環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定期后，形狀記憶合金絲的力學(xué)性能表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。對(duì)于直徑相同的形狀記憶合金絲，等效剛度、單循環(huán)耗能和等效阻尼比都隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。隨著應(yīng)變幅值的增大，等效剛度減小，而單循環(huán)耗能近似線性增加。研究結(jié)果對(duì)于開(kāi)發(fā)形狀記憶合金被動(dòng)阻尼元件具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；形狀記憶合金；超彈性；性能試驗(yàn)；力學(xué)性能

在眾多的功能材料中，形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）具有兩個(gè)非常獨(dú)特的性質(zhì)：形狀記憶效應(yīng)和超彈性[1–4]。形狀記憶效應(yīng)是指具有某種形狀的SMA制品，在變形以后可以通過(guò)加熱等方式使其恢復(fù)原始形狀。超彈性是指處于奧氏體狀態(tài)的SMA，當(dāng)加載應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，繼續(xù)加載將發(fā)生由應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變；當(dāng)應(yīng)力去除后，伴隨著馬氏體逆相變，應(yīng)變可以完全恢復(fù)。在加、卸載過(guò)程中，出現(xiàn)比較飽滿的遲滯環(huán)，使其具有較強(qiáng)的能量耗散能力[5]。此外，SMA還具有耐腐蝕、抗疲勞、可恢復(fù)變形大等優(yōu)點(diǎn)，其可恢復(fù)應(yīng)變高達(dá)6 %～8%，屈服應(yīng)力在400 MPa～500 MPa左右，與鋼材相當(dāng)；但其極限強(qiáng)度超過(guò)1 000 MPa，極限變形高達(dá)20 %。利用這些特性，可以制作SMA阻尼器，用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的被動(dòng)控制。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者在SMA被動(dòng)阻尼器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面進(jìn)行研究。任文杰[6]建立基于SMA的X形板阻尼器的力學(xué)模型。彭剛[7]提出SMA阻尼器的阻尼特性分析及器件設(shè)計(jì)方法。錢(qián)輝[8]設(shè)計(jì)一種新型SMA阻尼器，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。劉愛(ài)榮[9，10]進(jìn)行新型SMA長(zhǎng)拉索系統(tǒng)振動(dòng)控制和斜拉橋振動(dòng)控制研究。申文求[11]、肖爾田[12]、Graesser[13]和Feng[14]也對(duì)SMA絲減震器的應(yīng)用做了相應(yīng)研究。為了研制適用于工程結(jié)構(gòu)的具有自復(fù)位功能的SMA阻尼器，錢(qián)輝[15]通過(guò)試驗(yàn)考察三種直徑SMA絲力學(xué)性能。

在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，直接針對(duì)SMA減振器的研究居多，而對(duì)于SMA絲的力學(xué)性能關(guān)注較少。因此，在設(shè)計(jì)阻尼器時(shí)往往缺乏相應(yīng)的參考資料。為了開(kāi)發(fā)適用于小型精密機(jī)械的SMA阻尼器，對(duì)三種不同直徑的NiTi SMA絲進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并研究了響其力學(xué)性能的一些關(guān)鍵因素，如循環(huán)加載次數(shù)、應(yīng)變幅值、加載速率等。

1　NITi絲力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

采用的NiTi SMA絲含Ni50.8 %、Ti 49.2 %，奧氏體相變結(jié)束溫度Af為5oC，即常溫下材料為奧氏體。試件有三種直徑，分別為0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm。長(zhǎng)度為150 mm，標(biāo)距為100 mm。SMA絲的力學(xué)性能試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的JNT 150522型電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)力傳感器量程為5 kN，加載速率范圍為0.1 mm/ min～500mm/min。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用等速位移方式施加拉伸載荷。利用試驗(yàn)機(jī)上的力傳感器和位移傳感器采集試件的負(fù)荷和位移，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得所需要的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1)等速率等幅值循環(huán)加載試驗(yàn)，研究循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響。

加卸載速率為10 mm/min，應(yīng)變幅值為5 %，每種直徑的SMA絲連續(xù)加卸載50個(gè)循環(huán)。

2)等速率變幅值循環(huán)加載試驗(yàn)，研究應(yīng)變幅值對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響。

加卸載速率為1 mm/min，應(yīng)變幅值分別為4 %、5 %、6 %、7 %、8 %，每個(gè)幅值加卸載五個(gè)循環(huán)，一個(gè)幅值做完后緊接著進(jìn)行下一幅值試驗(yàn)，分析時(shí)只取每種幅值的最后一個(gè)循環(huán)。

3)等幅值變速率循環(huán)加載試驗(yàn)，研究加載速率對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響。

應(yīng)變幅值為5 %，加卸載速率分別為1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min、20 mm/min，每個(gè)速率加卸載5個(gè)循環(huán)，一種速率做完后緊接著進(jìn)行下一速率試驗(yàn)，分析時(shí)只取每種速率的最后一個(gè)循環(huán)。

1.3拉伸試驗(yàn)結(jié)果

在加卸載速率為10 mm/min、應(yīng)變幅值為5 %條件下，三種不同直徑SMA絲50次加卸載循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由于循環(huán)次數(shù)較多，圖中未對(duì)其一一標(biāo)注。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SMA絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸下移，其中第一循環(huán)由于內(nèi)應(yīng)力作用使其加卸載應(yīng)力較大，隨循環(huán)次數(shù)的增加SMA絲內(nèi)部組織趨于穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力逐漸降低，加之SMA絲長(zhǎng)時(shí)間處于拉伸狀態(tài),使其應(yīng)力松弛，發(fā)生蠕變反應(yīng)，致使加載所需的應(yīng)力降低。在50次循環(huán)的中后期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化的幅度逐漸減小，曲線越來(lái)越密，到最后幾乎重合。由于加載曲線下移明顯而卸載曲線變化較小，導(dǎo)致單循環(huán)加卸載曲線包圍的面積逐漸減小。

加卸載速率保持為1 mm/min，應(yīng)變幅值分別為4 %、5 %、6 %、7 %和8 %時(shí)，三種直徑SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制于圖2中。由圖2可得，隨著應(yīng)變幅值的增大，加載曲線經(jīng)歷了三個(gè)階段：

1)應(yīng)變幅值在0～1.5 %時(shí)為奧氏體彈性拉伸階段；

圖1　循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響

圖2　不同加載幅值時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2)應(yīng)變幅值在1.5%～6%時(shí)為奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變階段；

3)當(dāng)應(yīng)變幅值在6 %～8 %時(shí)為馬氏體彈性拉伸階段。

卸載曲線同樣經(jīng)歷了三個(gè)階段分別為：

1)馬氏體彈性卸載階段。

2)馬氏體向奧氏體逆相變階段。

3)奧氏體彈性卸載階段。

由于各階段組織結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致SMA絲在不同應(yīng)變幅值時(shí)的彈性模量不同。其中奧氏體和馬氏體彈性拉伸階段的彈性模量較大，奧氏體和馬氏體轉(zhuǎn)化過(guò)程的彈性模量較小。加卸載曲線所包圍的面積為SMA絲每循環(huán)所消耗的能量，同種直徑的SMA絲應(yīng)變幅值越大，滯回曲線包圍的面積越大，耗能越多。

應(yīng)變幅值為5 %，加卸載速率分別為1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min、20 mm/min時(shí)，三種直徑SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，隨著加載速率的提高，加載應(yīng)力均有所提高，這與材料的粘性變形特性緊密相關(guān)，當(dāng)加載速率提高時(shí)會(huì)導(dǎo)致分子間的摩擦速率增加，分子間的滑動(dòng)需要克服范德華力以及滑動(dòng)摩擦力等，增加滑動(dòng)速率必須增加應(yīng)力以克服分子間的滑動(dòng)阻力，因而要產(chǎn)生同樣的變形率需要較大的應(yīng)力。

圖3　不同加載速率時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2　SMA力學(xué)性能分析

為便于研究SMA絲力學(xué)性能，定義三個(gè)參數(shù)：等效剛度K、等效阻尼比ζ和每循環(huán)耗散能量WD，圖4為超彈性SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變示意圖。

1) WD為應(yīng)變幅值為εδ時(shí)加卸載曲線包圍的面積，表征SMA每次循環(huán)的耗能能力；

2)等效剛度K為應(yīng)力-應(yīng)變曲線起點(diǎn)與終點(diǎn)連線的斜率，表達(dá)式為

3)等效阻尼比ζ表示SMA絲的阻尼能力，即SMA絲在單向拉伸然后卸載條件下的阻尼比。表達(dá)式為；其中WE為總應(yīng)變能，

3種直徑SMA絲的力學(xué)特性隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖5所示?？梢钥闯?，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SMA絲的等效剛度稍有下降，隨后基本保持不變。單循環(huán)耗能和等效阻尼比都隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但20次循環(huán)前下降趨勢(shì)比較明顯，20次循環(huán)后下降趨勢(shì)逐漸放緩。因此，可以將20次循環(huán)作為一個(gè)分界點(diǎn)，將20次循環(huán)后稱(chēng)為穩(wěn)定期。

循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，0.8 mm絲的等效剛度較大；0.5 mm絲的等效剛度最小，僅為前者的2/3左右；0.6mm絲的等效剛度基本相等，介于二者之間。

不同直徑SMA絲的單循環(huán)耗能差別較大，且單循環(huán)耗能隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，進(jìn)入穩(wěn)定期后下降趨勢(shì)變緩。0.6 mm絲的單循環(huán)耗能約為0.8 mm絲的三倍。

圖4　超彈性SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

等效阻尼比的變化非常類(lèi)似于單循環(huán)耗能。進(jìn)入穩(wěn)定期后，0.6 mm絲的等效阻尼比最大，0.8 mm絲的等效阻尼比最小，最大等效阻尼比約為最小等效阻尼比的三倍。

圖6為SMA絲在不同應(yīng)變幅值時(shí)的力學(xué)特性曲線。由圖可見(jiàn)，隨著應(yīng)變幅值的增大，等效剛度減小，而單循環(huán)耗能近似線性增加，二者呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。比較而言，等效阻尼比的變化幅度比較大。其中0.5 mm、0.6 mm絲的等效阻尼比先降后升，即在4 %和8 %兩個(gè)應(yīng)變幅值附近出現(xiàn)兩個(gè)峰值，而應(yīng)變幅值約為5 %時(shí)出現(xiàn)最小值。0.8 mm絲的等效阻尼比基本隨應(yīng)變幅值增加而單調(diào)增加，在應(yīng)變幅值8%附近達(dá)到最大。

不同加載速率時(shí)SMA絲的力學(xué)特性曲線繪于圖7中?？梢钥闯?，隨著加載速率的增大，等效剛度逐漸增大，加載速率從1 mm/min到20 mm/min每種直徑SMA絲的等效剛度增加均超過(guò)1 GPa。

隨著加載速率的增大，0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm絲的耗能和等效阻尼比均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中0.5 mm絲和0.8 mm絲在10 mm/min左右取得耗能和等效阻尼比的最大值，0.6 mm絲在6 mm/min左右取得耗能和等效阻尼比最大值。

圖5　循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響

圖6　應(yīng)變幅值對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響

3　結(jié)語(yǔ)

對(duì)0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm的NiTi SMA絲進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，分析了不同直徑SMA絲的等效剛度、等效阻尼比和單循環(huán)耗能隨循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值和加載速率的變化規(guī)律。最終可得出以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過(guò)20次左右應(yīng)力循環(huán)后，SMA絲的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能重復(fù)性。

(2)適當(dāng)增大應(yīng)變幅值和加卸載速率能夠提高SMA絲的阻尼性能。

(3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相同直徑SMA絲的等效剛度、單循環(huán)耗能和等效阻尼比都降低。

(4)隨著應(yīng)變幅值的增大，相同直徑SMA絲的等效剛度減小，而耗能近似線性增加。

圖7　速度對(duì)SMA絲力學(xué)性能的影響

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Mechanical Property Tests of NiTi Wires with Different Diameters Used for Dampers

HUANG Rui1, DAI Shi-qun1, ZHENG Ji-zhou1, 2
（1. Collegeof Mechanical and Electronic Engineering, ShandongAgricultural University, Tai’an 271000, Shandong China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai’an 271000, Shandong China）

Abstract:Cyclic loading tests of SMA wires with different diameters were conducted in various conditions, and the influenceof cyclic number, strain amplitudeand loading frequency on equivalent stiffness, energy dissipation per cycle, and damping properties was investigated. The results show that the mechanical behavior of the SMA wires manifests a good repeatability after the wires entering into a stable period through numerous cycles. For the SMA wires with the same diameter, the equivalent stiffness, energy dissipation per cycle, and the equivalent damping ratio decrease with the increase of cyclic times. With thestrain amplitudeincreasing, theequivalent stiffnessdecreaseswhiletheenergy-absorption increases linearly. Theresultshaveanintroductivesignificanceinthedevelopment of dampingelements.

Key words:vibrationandwave; shapememory alloy(SMA); super elasticity; performancetesting; mechanical behavior

通訊作者：戴世群（1991-），男，山東省莒縣人，碩士生，主要研究方向?yàn)樵肼暸c振動(dòng)控制。 鄭繼周，男，碩士生導(dǎo)師。E-mail:zjzcorlor@163.com

作者簡(jiǎn)介：黃瑞（1990-），男，山東省東阿縣人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾螤钣洃浐辖鸾饘傧鹉z的工藝流程和性能試驗(yàn)研究。

基金項(xiàng)目：山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金資助項(xiàng)目（BS2010ZZ010）

收稿日期：2015-07-07

文章編號(hào)：1006-1355(2016)02-0189-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TB535+.1；TB34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.042