熱處理對SMA彈簧超彈性耗能性能的影響

呂泓旺，宋 陽，梅 斌

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070;2.武漢廣業(yè)勤建設(shè)工程有限公司，武漢 430000)

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,簡稱SMA)是一種新型智能材料，具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性[1,2]，因此廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械電子、生物醫(yī)療等多個精密尖端領(lǐng)域。近年來，形狀記憶合金在土木工程中的研究有了較快的發(fā)展，其中形狀記憶合金彈簧在土木工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。形狀記憶合金彈簧在土木工程的應(yīng)用主要利用的是其良好的超彈性耗能性能，將其與傳統(tǒng)的阻尼器和隔震支座相結(jié)合，組成被動減震體系，控制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[6,7]。

不同的熱處理加工方式對形狀記憶合金材料的力學(xué)性能具有不可忽視的影響，目前國內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于熱處理對形狀記憶合金絲的影響研究。例如，吳波[8]等分析了不同熱處理工藝后，形狀記憶合金材料超彈性滯回性能在不同溫度和不同應(yīng)變幅值下的變化規(guī)律，探討了熱處理前后該材料力學(xué)性能的變化以及加載頻率的影響。黃兵民[9]等研究了冷拔量、熱處理工藝參數(shù)對Ti-49.8%Ni合金絲的超彈性的影響，獲得其最大超彈性應(yīng)變量的處理工藝為冷拔量39%、退火溫度723 K、保溫時間30 min。但是到目前為止，關(guān)于熱處理方法對SMA彈簧力學(xué)性能的影響研究還不多。在文獻(xiàn)[10]中，顏世春等研究了不同的熱處理工藝對TiNi彈簧的熱出力比及熱回復(fù)溫度的影響。然而熱處理對SMA彈簧超彈性耗能性能的影響尚缺系統(tǒng)的研究。該文選用Ni含量為50.8%的NiTi合金絲，采用不同的熱處理工藝將其加工成8根彈簧，通過一系列拉伸試驗(yàn)，探討了熱處理工藝中加熱溫度和加熱時間對形狀記憶合金彈簧的超彈性耗能性能的影響。該項(xiàng)研究對于SMA彈簧的加工與應(yīng)用具有較好的參考價值。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)使用的合金材料為某國產(chǎn)NiTi合金絲(Ni含量為50.8%)，該合金絲的絲徑為0.6 mm。在加工彈簧時，首先選擇外徑為10 mm的鋼螺栓，并將足夠長的NiTi合金絲纏繞在上面，然后將合金絲兩端固定，放入馬弗爐中進(jìn)行加熱。在馬弗爐中加熱一段時間后，將其取出并放置在空氣中自然冷卻至室溫，此為一個循環(huán)。一共要重復(fù)3次這樣的熱處理循環(huán)。訓(xùn)練SMA彈簧時也可采用如文獻(xiàn)[10]所示的水淬即冷水降溫。因文中采用的形狀記憶合金絲空氣冷卻的效果比水冷要好，故而只考慮自然冷卻的降溫方法。最后，取下加工好的彈簧，截取5圈形狀規(guī)整的節(jié)段。該文共制作了8根彈簧(見圖1)，每根彈簧分別采用不同的熱處理工藝，加熱溫度與時間的具體參數(shù)見表1。

表1 8根SMA彈簧的熱處理工藝參數(shù)

彈簧編號處理方法1溫度350℃，時間20min2溫度350℃，時間30min3溫度350℃，時間60min4溫度450℃，時間20min5溫度450℃，時間30min6溫度450℃，時間60min7溫度550℃，時間20min8溫度650℃，時間20min

將制作好的彈簧固定于型號為HD-B609B-S的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(見圖2)。加載在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，在試驗(yàn)過程中，實(shí)測室溫為12 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度的變化較小，可以認(rèn)為加載時環(huán)境溫度對彈簧力學(xué)性能沒有影響。彈簧的加載速度為100 mm/min，采樣頻率為480點(diǎn)/min。加載按位移控制，彈簧的加載長度分別控制為40 mm和100 mm，便于后續(xù)對彈簧的超彈性耗能性能進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

為了評價SMA彈簧的耗能性能，選取了能量耗散系數(shù)、單位循環(huán)耗能和等效阻尼比三個指標(biāo)對SMA彈簧的超彈性耗能性能進(jìn)行評價。

2.1 形狀記憶合金彈簧耗能性能的評價指標(biāo)

2.1.1 能量耗散系數(shù)

一根形狀記憶合金彈簧在一次加卸載循環(huán)下的力-位移關(guān)系曲線可以用圖3來表示。圖3中面積A1和A2分別為彈簧在一個循環(huán)內(nèi)消耗和存儲的能量。這里，定義X=A1/(A1+A2)為形狀記憶合金彈簧的能量耗散系數(shù)。

2.1.2 單位循環(huán)耗能

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，彈簧的單位循環(huán)耗能Wd為SMA彈簧在一次加卸載循環(huán)下力-位移曲線包圍的面積，即圖3中的面積A1。

2.1.3 等效阻尼比

彈簧的等效阻尼比ξeq[11]可由下式表示

(1)

其中，Keq為等效剛度[11]，其表達(dá)式為

(2)

式中，F(xiàn)max和Fmin分別為單次加載中的最大輸出力和最小輸出力；Dmax和Dmin分別為單次加載中的最大輸出位移和最小輸出位移。

為了保證形狀記憶合金彈簧在結(jié)構(gòu)的減振控制中充分發(fā)揮其耗能性能，應(yīng)盡可能地讓加工訓(xùn)練出的SMA彈簧的能量耗散系數(shù)X、單位循環(huán)耗能Wd和等效阻尼比ξeq變大。

為了清楚說明問題，在研究熱處理對SMA彈簧超彈性耗能性能的影響時，拉伸試驗(yàn)加載采用了單次加卸載方式。主要考慮是，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在等位移幅值加載方式下，多次循環(huán)對試驗(yàn)結(jié)果影響不大，而且殘余位移可以忽略。另外，加載頻率和變位移幅值等加載方式對SMA彈簧超彈性耗能性能的影響這里沒有給出，具體結(jié)果可參見文獻(xiàn)[12]。

2.2 熱處理工藝對SMA彈簧超彈性耗能性能的影響

通過對加工出的8根SMA彈簧進(jìn)行一系列拉伸試驗(yàn)，得到了這些彈簧在單次加卸載作用下的超彈性力-位移關(guān)系曲線，這里重點(diǎn)研究了熱處理工藝中加熱時間與加熱溫度對彈簧的力學(xué)性能影響。

2.2.1 熱處理的加熱時間對加工彈簧的耗能性能影響

為了研究熱處理加工中的加熱時間對加工彈簧的性能影響，根據(jù)已有試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[12],這里將加熱時間劃分為20 min、30 min和60 min等3種工況，并將加熱溫度設(shè)為350 ℃，這組熱處理工藝對應(yīng)的加工彈簧分別為1～3號彈簧(如表1所示)。通過拉伸試驗(yàn)，得到加載位移為100 mm的3根彈簧的力-位移關(guān)系曲線如圖4所示。圖4中標(biāo)示的“350-20”是指訓(xùn)練彈簧時的加熱溫度為350 ℃，保持時間為20 min，其它的標(biāo)示意義類似。

初步判斷出熱處理時的加熱時間對彈簧耗能能力影響不大。進(jìn)一步，利用試驗(yàn)所得到的力-位移關(guān)系曲線，可計(jì)算出三根彈簧的評價指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。從圖4可以看出，單循環(huán)荷載下3根彈簧的滯回面積相差不大，其中2號彈簧的稍大一些。

表2 1～3號SMA彈簧的耗能評價指標(biāo)

由表2可以看出：當(dāng)熱處理的加熱時間從20 min增至30 min時，彈簧各項(xiàng)耗能評價指標(biāo)均有小幅度上升，其中，能量耗散系數(shù)X由40.7%增至42.8%，提高了5.16%，單位循環(huán)耗能Wd由0.070 5增至0.083 2，提高了18.01%，等效阻尼比ξeq由3.32%增至3.45%，提高了3.91%。當(dāng)加熱時間從30 min增至60 min時，彈簧的各項(xiàng)指標(biāo)均有小幅度下降，其中，能量耗散系數(shù)X由42.8%減至39.7%，下降了7.24%，單位循環(huán)耗能Wd下降了13.10%，等效阻尼比ξeq下降了3.77%。綜合來看，在不同加熱時間下，加工彈簧的X、Wd和ξeq變化不大，因此，熱處理的加熱時間對SMA彈簧的超彈性耗能性能的影響不明顯。

另外，從表2中還可以發(fā)現(xiàn)，在相同加熱溫度下，加工彈簧的耗能系數(shù)、單位循環(huán)耗能和等效阻尼比隨著加熱時間的增加呈先增大后減少的趨勢。對于該文訓(xùn)練的NiTi(Ni含量為50.8%)形狀記憶合金彈簧，在350 ℃下的耗能性能達(dá)到最優(yōu)時的加熱時間是在30 min。

當(dāng)熱處理的加熱溫度為450 ℃時，對應(yīng)不同加熱時間(20 min、30 min和60 min)的加工彈簧分別為4～6號彈簧。對這3根彈簧進(jìn)行加載位移幅值為40 mm的拉伸試驗(yàn)，可以得到3根彈簧的力-位移關(guān)系曲線如圖5所示。

和圖4類似，圖5顯示出3根彈簧的滯回面積相差不大。同樣地，應(yīng)用所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出3根彈簧的3個評價指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。

表3 4～6號SMA彈簧的耗能評價指標(biāo)

從表3可以看出：對應(yīng)于450 ℃的加熱溫度，熱處理時間為20 min的SMA彈簧的耗能性能最優(yōu)。對比350 ℃下的彈簧耗能性能最優(yōu)的加熱時間(30 min)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著加熱溫度的升高，具有最優(yōu)耗能性能的彈簧對應(yīng)的熱處理時間有減小的趨勢。

2.2.2 熱處理的加熱溫度對加工彈簧的耗能性能影響

為了研究熱處理的加熱溫度對加工彈簧的性能影響，按照文獻(xiàn)[12],這里將熱處理的加熱溫度劃分為350 ℃、550 ℃和650 ℃等3種工況，并且選取加熱時間為20 min，這組熱處理工藝對應(yīng)的彈簧分別為1、7和8號彈簧(如表4所示)。然后，利用彈簧的拉伸試驗(yàn)，可以得到加載位移為100 mm的3根彈簧的力-位移關(guān)系曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，單循環(huán)荷載下，7號彈簧的滯回面積明顯大于另外兩根彈簧。初步判斷出熱處理時加熱溫度對彈簧耗能能力影響很大。進(jìn)一步，利用試驗(yàn)所得到的力-位移關(guān)系曲線，可計(jì)算出三根彈簧的評價指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。

表4 1、7和8號彈簧的耗能評價指標(biāo)

從表4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熱處理的加熱溫度從350 ℃增加到550 ℃時，彈簧各項(xiàng)耗能指標(biāo)均有大幅度上升，其中，能量耗散系數(shù)X由40.7%增至56.0%，提高了37.59%。單位循環(huán)耗能Wd由0.070 5增至0.123 9，提高了75.74%。等效阻尼比ξeq由3.32%增至4.27%，提高了28.61%。當(dāng)加熱溫度從550 ℃增加到650 ℃時，彈簧各項(xiàng)指標(biāo)均有大幅度下降。其中，能量耗散系數(shù)X下降了64.82%，單位循環(huán)耗能下降了51.49%，等效阻尼比ξeq下降了65.81%。總體來看，加工彈簧時，隨著熱處理加熱溫度的升高，3個評價指標(biāo)X、Wd和ξeq的變化很大。因此，相對于加熱時間，熱處理的加熱溫度對加工好的SMA彈簧的超彈性耗能性能影響更大，即彈簧的力學(xué)性能對加工時的加熱溫度更加敏感。

同時，從表4可以看出，在相同加熱時間下，SMA彈簧的能量耗散系數(shù)、單位循環(huán)耗能和等效阻尼比隨著熱處理的加熱溫度的升高呈先增大后減少的趨勢。這是因?yàn)樵谧顑?yōu)加熱溫度時，母相(即相變前的相狀態(tài))中位錯密度較高，母相得到強(qiáng)化，從而改善了超彈性耗能性能。隨著加熱溫度的升高，特別是接近再結(jié)晶溫度時，位錯密度下降，母相強(qiáng)化效應(yīng)減弱，訓(xùn)練出的彈簧的超彈性耗能性能會變壞。對于該文研究的NiTi(Ni含量為50.8%)形狀記憶合金彈簧，當(dāng)熱處理的加熱時間為20 min時，最優(yōu)加熱溫度為550 ℃，這與王高潮[13]等人的研究成果吻合。在給定的試驗(yàn)條件下，彈簧最好的超彈性耗能系數(shù)達(dá)到了56.0%，與SMA絲材相比，該指標(biāo)遠(yuǎn)超國產(chǎn)形狀合金絲的30%[8]，接近國外同類材料的60%[14]。因此，該文研究對于采用合適的熱處理工藝加工國產(chǎn)SMA彈簧具有較好的參考價值。

3 結(jié) 論

對一國產(chǎn)NiTi合金絲，經(jīng)不同熱處理方式制成了8根具有超彈性的SMA彈簧，并在室溫下進(jìn)行了單循環(huán)荷載作用下的形狀記憶合金彈簧的拉伸試驗(yàn)。通過分析多個試件的試驗(yàn)結(jié)果，得到了如下主要結(jié)論：

a.訓(xùn)練形狀記憶合金彈簧時，隨著熱處理加熱時間的增加，彈簧的超彈性耗能性能先提高后下降，存在一個最優(yōu)加熱時間。且隨著加熱溫度的升高，最優(yōu)加熱時間有減小的趨勢。

b.在相同加熱時間下，隨著熱處理加熱溫度的升高，加工的形狀記憶合金彈簧的超彈性耗能性能同樣會先提高后下降，存在一個最優(yōu)加熱溫度。該文研究的Ni含量為50.8%的NiTi合金彈簧的最優(yōu)加熱溫度約為550 ℃。

c.熱處理的加熱溫度對彈簧的超彈性耗能性能的影響比加熱時間的影響更大，更容易通過控制熱處理中的加熱溫度來達(dá)到改善形狀記憶合金彈簧力學(xué)性能的目的。

總的來說，在熱處理中選擇適當(dāng)?shù)募訜釡囟群图訜釙r間，可以有效地改善形狀記憶合金彈簧的超彈性耗能性能，使其更好地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的減震。

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