多種因素影響下的超彈性SMA絲材力學(xué)性能

唐楓華，董新偉，胡淑軍，廖志勇，宋固全

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.江西中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330001)

形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)是一種新型智能材料，具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性特點(diǎn)，且超彈性應(yīng)變可達(dá)6%～8%[1]。目前，SMA已經(jīng)應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中。例如，黃宙等[2]提出了一種具有自復(fù)位放大位移功能的新型SMA自復(fù)位阻尼器；任文杰等[3]提出一種基于SMA材料和高耗能摩擦單元的復(fù)合摩擦阻尼器；Qian等[4]利用SMA超彈性和自復(fù)位能力提出了一種SMA摩擦阻尼器；劉明明等[5]開發(fā)了一種由SMA絲、剪切型鉛塊和復(fù)位彈簧組成的復(fù)合耗能阻尼器；顧琦等[6]結(jié)合SMA和丁基橡膠墊片，提出一種低摩擦自復(fù)位SMA支撐?；赟MA所制成的自復(fù)位構(gòu)件可有效提高相應(yīng)結(jié)構(gòu)的耗能能力，同時(shí)減小結(jié)構(gòu)的殘余變形[7]。

由于影響SMA超彈性性能的因素較多，細(xì)小化學(xué)成分差異和加工工藝等都對(duì)其力學(xué)性能有較大影響，這對(duì)于相應(yīng)構(gòu)件的自復(fù)位能力和耗能能力都帶來較大的不確定性[8]。因此，需對(duì)影響SMA力學(xué)性能的因素進(jìn)行詳細(xì)分析。Tobushi等[9]推導(dǎo)出了SMA的疲勞壽命與應(yīng)變范圍、溫度和速率的相互關(guān)系；錢輝等[10]研究了SMA絲材在不同應(yīng)變幅值下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；凌育洪等[11]分析了不同加載速率、應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)下SMA絲材的剛度和耗能等；錢輝等[12]分析了不同應(yīng)變速率下SMA絲材的力學(xué)性能；Zhou等[13]討論了單一幅值循環(huán)加載下預(yù)應(yīng)變對(duì)SMA絲材的耗能和剛度的影響。

本文主要針對(duì)一種國(guó)產(chǎn)1 mm直徑的SMA絲材，設(shè)計(jì)3組考慮循環(huán)次數(shù)、加載速率和預(yù)應(yīng)變的試件模型，并在常溫下對(duì)各試件進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)研究，以得到各因素影響下SMA絲材的滯回曲線、骨架曲線、割線剛度和耗能能力等，為進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)相應(yīng)自復(fù)位SMA阻尼器提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

為分析SMA的力學(xué)性能，采用高安市記憶合金材料有限公司生產(chǎn)的1 mm直徑SMA絲材進(jìn)行研究，如圖1(a)所示。

基于廠家提供數(shù)據(jù)可知，所采用SMA絲材主要由鎳(w(Ni)=55.960 0%)和鈦(w(Ti)=43.983 5%)組成，各種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 SMA成分Tab.1 Composition of SMA

本次試驗(yàn)設(shè)備為南昌大學(xué)工程力學(xué)中心的SANS電子萬能試驗(yàn)機(jī)，力傳感器量程為100 kN。試驗(yàn)時(shí)室溫為20 ℃，且在該室溫條件下，SMA絲材的初始狀態(tài)為奧氏體狀態(tài)。其中，絲材夾頭和試驗(yàn)設(shè)備如圖1(b)、(c)所示。試驗(yàn)裝置中，考慮到SMA絲材直徑過小且光滑，試驗(yàn)前采用夾頭對(duì)將SMA絲材兩端固定。兩夾具之間SMA絲材標(biāo)距為375 mm。

試驗(yàn)中對(duì)SMA絲材的加載、卸載過程由電子萬能試驗(yàn)機(jī)控制，且需預(yù)先按照所要求的應(yīng)變率設(shè)定好加載速率，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的循環(huán)加載。在試驗(yàn)過程中，需觀察SMA絲材及設(shè)備變化情況，防止設(shè)備突發(fā)故障或SMA絲材斷裂。

由于本次需考慮循環(huán)次數(shù)、加載速率和預(yù)應(yīng)變的影響，選用10根SMA絲材并分成3批次進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體表現(xiàn)為：1) 循環(huán)次數(shù)(僅1根SMA絲材試件)。采用0.06的單一應(yīng)變幅值，且應(yīng)變速率為0.001 2 s-1[10]，進(jìn)行30圈循環(huán)加載，預(yù)應(yīng)變?yōu)榱悖?) 加載速率(5根SMA絲材試件)。采用5種加載應(yīng)變速率，分別為0.000 6、0.001 2、0.001 8、0.002 4、0.003 6 s-1；各試件均采用7級(jí)加載，應(yīng)變?yōu)?.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06，且各加載步均只循環(huán)1圈，預(yù)應(yīng)變?yōu)榱悖?) 預(yù)應(yīng)變(4根SMA絲材試件)。采用4種預(yù)應(yīng)變，分別為0.002 5、0.005 0、0.007 5、0.010 0；各試件均采用7級(jí)加載，應(yīng)變?yōu)?.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06，且各加載步均只循環(huán)1圈，加載應(yīng)變速率為0.001 2 s-1。具體試驗(yàn)工況及編號(hào)見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 循環(huán)加載次數(shù)

為對(duì)比單一幅值與逐級(jí)加載下SMA絲材的性能，取2根試件并按試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行編號(hào)。其中，TS-12-D試件的單一幅值為0.06應(yīng)變、30次循環(huán)加載、加載應(yīng)變速率為0.001 2 s-1；TS-12-Z試件為逐級(jí)加載，加載應(yīng)變速率為0.001 2 s-1。2種試件加載工況的其他參數(shù)詳見表2。

表2 SMA絲材的試驗(yàn)工況Tab.2 Tested cases of SMA wire specimen

圖2是單一循環(huán)與逐級(jí)加載所得滯回曲線圖。試件TS-12-Z中每一個(gè)加載步的滯回曲線都能與試件TS-12-D加載所得的滯回曲線高度重合，且試件TS-12-D加載所得最大應(yīng)力為698 MPa，試件TS-12-Z所得最大應(yīng)力為703 MPa，二者相差較小。在初始彈性階段2種試件的斜率基本相同，且單一循環(huán)加載時(shí)，SMA絲材在不同循環(huán)次數(shù)下的初始剛度無明顯變化。另外，與30圈單一幅值循環(huán)加載所得滯回曲線也基本重合，且單一幅值加載不影響SMA絲材進(jìn)入馬氏體相變，循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA絲材的性能無明顯影響且性能穩(wěn)定。因此，在對(duì)加載速率和預(yù)應(yīng)變研究中可僅取一次加載循環(huán)。

2.2 加載速率

取5根SMA絲材，試件編號(hào)為TS-06-Z、TS-12-Z、TS-18-Z、TS-24-Z、TS-36-Z，分別指加載速率為0.000 6、0.001 2、0.001 8、0.002 4、0.003 6 s-1的逐級(jí)加載，且各加載步僅1次循環(huán)。其他參數(shù)詳見表2。

不同加載速率下SMA絲材的滯回曲線如圖3所示。隨著加載速率的提高，SMA絲材的每個(gè)加載步所得滯回曲線均有上移的趨勢(shì)，SMA的應(yīng)力隨著加載速率的增大而提高。當(dāng)SMA絲材達(dá)到預(yù)期最大變形時(shí)，試件TS-06-Z、TS-12-Z、TS-18-Z、TS-24-Z、TS-36-Z的應(yīng)力值分別為690、703、712、721、731 MPa。然而，加載速率增大的同時(shí)，相應(yīng)滯回曲線表現(xiàn)出更加明顯的捏縮現(xiàn)象，并影響其耗能能力，具體影響需進(jìn)一步分析。

不同加載速率下SMA絲材的骨架曲線如圖4所示。隨著加載速率的增大，各試件每個(gè)加載步的應(yīng)力和最大應(yīng)力均隨之提高，且曲線在達(dá)到0.01的應(yīng)變時(shí)相應(yīng)彈性模量(等于應(yīng)力除以應(yīng)變)也有所增大。然而，隨著各試件進(jìn)入屈服，骨架曲線會(huì)經(jīng)歷一個(gè)應(yīng)力增強(qiáng)階段，且每一個(gè)加載速率下的曲線均表現(xiàn)出明顯的“屈服平臺(tái)”。

SMA絲材的割線剛度可以反映其在加載過程中剛度退化[5]，可表達(dá)為：

(1)

式中：Fi，max、Fi，min分別為第i個(gè)加載步中的最大、最小軸力值；Di，max、Di，min分別為第i個(gè)加載步中最大、最小位移。

不同加載速率下SMA絲材的割線剛度如圖5所示。隨著加載速率的增大，各試件的割線剛度也逐漸增大，且曲線總體變化趨勢(shì)相同。在第1個(gè)加載步時(shí)，各試件的割線剛度有所增大，分析可能是由于SMA絲材的初始應(yīng)變?yōu)榱?，且在加載開始時(shí)存在一定的松弛現(xiàn)象。隨著加載步和SMA應(yīng)力的增大，各試件的割線剛度逐漸減小，且當(dāng)各試件的位移和應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)，剛度退化有所減緩并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

在Origin軟件中二重積分的方法計(jì)算滯回曲線的面積值，并進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換后，可得到不同加載速率下SMA絲材的耗能能力，如圖6所示。從圖中可以看到，加載初期從第1至第5個(gè)加載步時(shí)，隨著加載速率的提高，SMA絲材的耗能能力也逐漸增大。然而，當(dāng)加載至第6個(gè)加載步時(shí)，試件TS-24-Z和TS-36-Z的耗能能力增長(zhǎng)變緩，表明其滯回曲線的捏縮效應(yīng)增大；當(dāng)試件加載第7步時(shí)，試件TS-18-Z(加載速率為0.001 8 s-1)的耗能值最大。

基于上述對(duì)不同加載速率下SMA絲材的力學(xué)性能分析，可得到各試件最大的應(yīng)力、割線剛度和耗能能力，如表3所示。

表3 不同加載速率下SMA的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical property of SMA wire under different loading rates

2.3 預(yù)應(yīng)變

取4根SMA絲材，試件編號(hào)為TS-25-P、TS-50-P、TS-75-P、TS-100-P，分別指預(yù)應(yīng)變?yōu)?.002 5、0.005 0、0.007 5、0.01 0的逐漸加載，加載應(yīng)變速率均為0.001 2 s-1，且各加載步僅1次循環(huán)。其他參數(shù)詳見表2。

不同預(yù)應(yīng)變下SMA絲材的滯回曲線如圖7所示，各曲線在循環(huán)逐級(jí)荷載下的變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)各試件由初始預(yù)應(yīng)變開始加載后，滯回曲線由初始荷載逐漸增大，且達(dá)到預(yù)期變形時(shí)所受應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)變的增大而提高，即試件TS-25-P、TS-50-P、TS-75-P、TS-100-P所對(duì)應(yīng)的SMA絲材最大應(yīng)力值分別為742、776、807、813 MPa。然而，當(dāng)試件預(yù)應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，在應(yīng)力最大處雖可提高其耗能值，但在初始預(yù)應(yīng)變處滯回面積有所減小，預(yù)應(yīng)變對(duì)其耗能能力的影響仍需進(jìn)一步分析。

不同預(yù)應(yīng)變下各SMA絲材試件的骨架曲線如圖8所示。由于各試件的初始預(yù)應(yīng)變不同，故圖中骨架曲線在各加載步上的預(yù)應(yīng)變不等。隨著加載速率的增大，各試件每個(gè)加載步的應(yīng)力和最大應(yīng)力均隨之提高，但加載初期SMA絲材彈性模量隨預(yù)應(yīng)變表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且在預(yù)應(yīng)變?yōu)?.007 5時(shí)最大(表5中包含詳細(xì)結(jié)果)。隨著各試件進(jìn)入屈服階段后，骨架曲線會(huì)經(jīng)歷一個(gè)應(yīng)力增強(qiáng)階段，且各預(yù)應(yīng)變下的曲線均表現(xiàn)出一段明顯的水平屈服。另外，在同一個(gè)加載步中，試件的預(yù)應(yīng)變?cè)酱?，則相應(yīng)的SMA絲材應(yīng)力也越大。因此，預(yù)應(yīng)變的增大可提高各加載步SMA絲材的應(yīng)力值。

不同預(yù)應(yīng)變下SMA絲材的割線剛度如圖9所示。由于SMA絲材施加了一定的預(yù)應(yīng)變且不會(huì)發(fā)生松弛現(xiàn)象，隨著加載步的增大，各試件的割線剛度逐漸減小，變化趨勢(shì)一致。另外，由于各加載步的相對(duì)變形量相等，且隨著預(yù)應(yīng)變的增大，SMA絲材的初始應(yīng)力值也有明顯增大。然而，從骨架曲線中可知，絕對(duì)應(yīng)變值相同時(shí)應(yīng)力增幅較小，故SMA絲材的割線剛度隨預(yù)應(yīng)變的增大而減小。加載后期，剛度退化有所減緩并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

不同預(yù)拉力下SMA絲材的耗能能力如圖10所示。在各加載步中，當(dāng)預(yù)應(yīng)變由0.002 5增大至0.007 5時(shí)，試件TS-25-P、TS-50-P、TS-75-P的耗能值逐漸增大，即最大應(yīng)力處SMA絲材所增大的耗能值大于初始預(yù)應(yīng)變處滯回面積的減小值。另外，對(duì)比試件TS-75-P和TS-100-P可知，各加載步中試件耗能值均有所下降，盡管預(yù)應(yīng)變引起了最大應(yīng)力值的提高，但滯回曲線的捏縮效應(yīng)更為明顯，故試件TS-75-P(預(yù)應(yīng)變?yōu)?.007 5)的耗能值最大。

基于上述對(duì)不同預(yù)應(yīng)變下SMA絲材的力學(xué)性能分析，可得到各試件最大的應(yīng)力、割線剛度和耗能能力，如表4所示。

表4 不同預(yù)應(yīng)變下SMA的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical property of SMA wire under different pre-strain

3 SMA絲材的力學(xué)參數(shù)

基于以上共10個(gè)SMA絲材試件考慮循環(huán)加載次數(shù)、加載速率和預(yù)應(yīng)變的力學(xué)試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可得到各力學(xué)參數(shù)值，具體如表5所示。

表5 SMA絲材的力學(xué)參數(shù)Tab.5 Mechanical parameters of SMA wire

4 結(jié)論

1)SMA直接施加至預(yù)定幅值、循環(huán)30圈，與逐級(jí)加載、循環(huán)1圈時(shí)的性能基本相同，即循環(huán)次數(shù)對(duì)SMA絲材的滯回性能無明顯影響；

2)隨著加載速率的增大，SMA絲材的彈性剛度、承載力和割線剛度將逐漸增大，且在0.001 8 s-1的加載應(yīng)變速率下SMA絲材的耗能能力最強(qiáng)；

3)隨著SMA絲材的初始預(yù)應(yīng)變的增大，其承載力將逐漸提高，但割線剛度有所減小，且在預(yù)應(yīng)變?yōu)?.007 5時(shí)耗能值和彈性模量最大；

4)通過對(duì)不同因素的試驗(yàn)研究表明，SMA絲材在0.001 8 s-1的加載應(yīng)變速率和0.007 5的預(yù)應(yīng)變下，其力學(xué)性能最佳。