鐵磁形狀記憶合金復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳江旭， 薛立軍*， 劉輝

(1.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384； 2.機(jī)電工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))， 天津 300384)

鐵磁形狀記憶合金(ferromagnetic shape memory alloys，F(xiàn)SMA)是在傳統(tǒng)的形狀記憶合金基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種新型智能材料，既保持形狀記憶性質(zhì)，又具有受磁場控制的磁致形狀記憶效應(yīng)[1]。但是由于FSMA中馬氏體變體的相互作用，以及晶粒呈任意方向分布，多晶FSMA往往不能產(chǎn)生大的應(yīng)變，并且具有初始織構(gòu)的多晶FSMA也很脆，不易加工成型，因此考慮將NiMnGa合金顆粒與環(huán)氧樹脂混合，獲得更多優(yōu)越力學(xué)性能的復(fù)合材料，這樣在不改變NiMnGa合金顆粒特性的同時還可以保證復(fù)合材料的韌性[2]。

劉金林等[3]研究了NiMnGa合金的顯微組織和相變行為，結(jié)果表明合金的顯微組織為雙相組織，母相中含有馬氏體片，并且在升降溫過程發(fā)生馬氏體相變。Hosoda等[4]首次將NiMnGa合金顆粒與樹脂結(jié)合，制備NiMnGa合金復(fù)合材料。在磁場作用下，磁場會引起復(fù)合材料發(fā)生形變，可用于驅(qū)動器元件。朱玉萍等[5]利用力磁耦合試驗(yàn)表明NiMnGa合金顆粒呈現(xiàn)明顯的各向異性以及不同切割角度對材料力學(xué)性能的影響。騰耀[6]研究了多晶NiMnGa合金在多場耦合條件下的本構(gòu)關(guān)系，為該材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

周新等[7]給出鎳鈦形狀記憶合金加載時的超彈性曲線，為NiMnGa合金復(fù)合材料在加載與卸載過程的馬氏體體積分?jǐn)?shù)的變化提供依據(jù)。Xue等[8]詳細(xì)說明了鐵磁形狀記憶合金-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在力磁耦合下的細(xì)觀力學(xué)模型。基于此，詳細(xì)介紹了短圓柱NiMnGa合金顆粒復(fù)合材料試件的制備方法，并且在單一應(yīng)力條件下，對復(fù)合材料試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得出壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，并分析應(yīng)力、NiMnGa合金顆粒尺寸以及NiMnGa合金顆粒含量對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)變值的影響。

1 材料準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)過程

1.1 原材料及復(fù)合材料試件制備

選用的NiMnGa合金錠由純度99.95%的Ni、Mn、Ga金屬單質(zhì)為原材料，考慮到Mn的揮發(fā)，實(shí)際配料時應(yīng)多加了合金總質(zhì)量的0.06%。實(shí)驗(yàn)中的煉制方法是在氬氣保護(hù)下，通過電弧熔煉的方法制備獲得合金錠。在經(jīng)過機(jī)械研磨獲得30～60 μm和90～120 μm的NiMnGa合金顆粒。NiMnGa合金顆粒制成的過程如圖1所示。

NiMnGa合金顆粒復(fù)合材料是由環(huán)氧樹脂E51、脂肪胺類固化劑四亞乙基五胺和NiMnGa合金顆粒按照比例混合組成。

根據(jù)試驗(yàn)方案，計(jì)算相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)所需要的NiMnGa合金顆粒質(zhì)量，并確定對應(yīng)的E51環(huán)氧樹脂的體積；在室溫狀態(tài)下，將環(huán)氧樹脂與固化劑按6∶1的比例放在容器中，并加入對應(yīng)質(zhì)量的合金顆粒均勻混合，將合金顆粒和環(huán)氧樹脂混合物倒入模具中，最后將模具放入超聲波清洗機(jī)中，消除內(nèi)部氣泡；為了使合金顆粒在樹脂中更加均勻地分布，每五分鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)一次，并在常溫下放置12 h完成固化；最后將固化好的復(fù)合材料試件脫模打磨拋光。短圓柱復(fù)合材料試件用于壓縮試驗(yàn)，直徑d為12 mm，高度h為18 mm，如圖2所示。

在制作復(fù)合材料試件的過程中，通過施加一個均勻的外部磁場可以控制NiMnGa合金顆粒在環(huán)氧樹脂中的分布。不施加磁場時，NiMnGa合金顆粒在環(huán)氧樹脂中隨機(jī)分布，得到各向同性的復(fù)合材料，如圖3(a)[4]所示。當(dāng)施加磁場時，由于NiMnGa合金顆粒呈現(xiàn)各向異性，在磁場影響下NiMnGa合金顆粒將發(fā)生轉(zhuǎn)變，致使NiMnGa合金顆粒與磁場方向平行，形成取向分布，如圖3(b)[4]所示。

圖1 合金粉末研磨過程Fig.1 Alloy powder grinding process

圖2 鐵磁形狀記憶合金復(fù)合材料試件Fig.2 Ferromagnetic shape memory alloy composite specimen

圖3 鐵磁形狀記憶合金復(fù)合材料制備[4]Fig.3 Preparation of ferromagnetic shape memory alloy composites[4]

1.2 試驗(yàn)方法

為了提高復(fù)合材料試件的穩(wěn)定性能，使用WDW-300型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行力學(xué)訓(xùn)練，如圖4所示。對圓柱形試件施加壓縮應(yīng)力，先將壓縮應(yīng)力加載到35 MPa,然后再卸載到0，此過程為一次力學(xué)訓(xùn)練，壓縮應(yīng)力加載速度和卸載速度均為0.25 mm/min。每個復(fù)合材料試件均完成上述兩次相同的過程。力學(xué)訓(xùn)練結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。試驗(yàn)測量了試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，參數(shù)設(shè)置最大加載應(yīng)力為80 MPa,加載速率為0.25 mm/min，然后卸載應(yīng)力至0 MPa，卸載速率也為0.25 mm/min，最終得到應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖4 WDW-300型電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.4 WDW-300 electronic universal testing machine

2 馬氏體重取向本構(gòu)關(guān)系

(1)

(2)

(3)

由Mori-Tanaka平均場方法[9]可得

(4)

式中：ε*為特征應(yīng)變；εp為馬氏體2由于重取向應(yīng)變產(chǎn)生的本征應(yīng)變。

根據(jù)Eshelby等效夾雜原理推導(dǎo)可得[10]

εpt=S(εp+ε*)

(5)

式(5)中：S為四階張量。

σpt=L0(εpt-ε*)=L0(S-I)(εp+ε*)

(6)

式(6)中：I為四階單位張量。

(7)

式(7)中：ξ為夾雜相的體積分?jǐn)?shù)。

聯(lián)立式(4)～式(7)可得

(8)

(9)

ε*={L0+(L1-L0)[S-ξ(S-I)]}-1(L0-

L1)[ε0+(1-ξ)(S-I)εp]

(10)

同理，可得合金材料的平均應(yīng)變?yōu)?/p>

(11)

即鐵磁形狀記憶合金顆粒的平均應(yīng)變可表示為

(12)

假設(shè)在加載應(yīng)力前只有馬氏體1存在，基于文獻(xiàn)[11]在馬氏體重取向狀態(tài)應(yīng)力擇優(yōu)取向馬氏體變體體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式，優(yōu)化后的公式為

(13)

式(13)中：σs(1,2)為開始轉(zhuǎn)變臨界應(yīng)力；σf(1,2)為結(jié)束臨界應(yīng)力。

通過式(13)確定在馬氏體在重取向過程中，兩種不同馬氏體變體的體積分?jǐn)?shù)。最后通過式(12)可以得到馬氏體變體在重取向時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微觀形貌

使用OLYMPUS-BX51M型號電子顯微鏡測量不同試件的微觀形態(tài)，如圖5所示。

圖5 OLYMPUS-BX51M電子顯微鏡Fig.5 OLYMPUS-BX51M electron microscope

不同試件的微觀形態(tài)圖，如圖6所示。復(fù)合材料具有強(qiáng)度高，抗疲勞的優(yōu)質(zhì)特性，并且可以改善單一合金應(yīng)變小，材料易碎等缺點(diǎn)。

3.2 分析不同因素對力學(xué)性能的影響

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從NiMnGa合金顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)方面對NiMnGa合金復(fù)合材料進(jìn)行分析。

由圖7(a)可知，合金顆粒尺寸為30～60 μm、體積分?jǐn)?shù)為20%復(fù)合材料試件，在壓縮應(yīng)力不斷增大時，整個復(fù)合材料的應(yīng)變值也會變大，在馬氏體發(fā)生重取向前，曲線近似為直線，這表明NiMnGa合金顆粒復(fù)合材料處于線彈性階段，在室溫時NiMnGa合金顆粒完全處于馬氏體狀態(tài)，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，40 MPa時，達(dá)到復(fù)合材料馬氏體變體再取向開始轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)，試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯的改變，這個改變過程稱為馬氏體變體再取向過程；由于實(shí)驗(yàn)條件為單一應(yīng)力，所以此過程為磁場擇優(yōu)取向變體轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力擇優(yōu)取向變體；當(dāng)應(yīng)力加載到約80 MPa后，將應(yīng)力卸載，隨著壓應(yīng)力的減少，當(dāng)應(yīng)力為40 MPa時，馬氏體變體發(fā)生逆取向，由應(yīng)力擇優(yōu)變體向磁場擇優(yōu)變體轉(zhuǎn)變，同樣出現(xiàn)明顯的再取向平臺；當(dāng)應(yīng)力減小到0 MPa，發(fā)現(xiàn)存在較小的殘余應(yīng)變，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，將具有殘余應(yīng)變的復(fù)合材料試樣置于磁場中，應(yīng)變會有所恢復(fù)。這是由于磁場致使NiMnGa合金復(fù)合材料中的馬氏體變體發(fā)生轉(zhuǎn)變。由圖7(b)為20%含量復(fù)合材料馬氏體變體重取向過程理論值與實(shí)驗(yàn)值對比，由于試件在制作過程中，影響試件的因素有很多，混合不均勻造成試件中含有少許氣泡等都會影響實(shí)驗(yàn)值，造成理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差，但兩條曲線都出現(xiàn)了馬氏體變體重取向平臺，基本趨勢保持一致。

以30～60 μm-10%為例，30～60 μm-10%表示合金 顆粒尺寸為30～60 μm、體積分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合材料； 銀白色不規(guī)則形狀物質(zhì)為合金顆粒；黑色部分為環(huán)氧樹脂圖6 鐵磁形狀記憶合金復(fù)合材料不同試件的顯微組織Fig.6 Microstructure of different specimens of ferromagnetic shape memory alloy composites

30～60 μm-20%表示合金顆粒尺寸為30～60 μm、 體積分?jǐn)?shù)為20%復(fù)合材料試件圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curve

圖8為同一實(shí)驗(yàn)條件下，不同體積分?jǐn)?shù)以及不同尺寸顆粒試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變對比曲線。由圖7可知，復(fù)合材料試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的趨勢基本一致，鐵磁形狀記憶合金復(fù)合材料出現(xiàn)明顯的非線性，都出現(xiàn)明顯的馬氏體變體重取向過程。如圖8(a)所示，在體積分?jǐn)?shù)不同，顆粒尺寸相同條件下，在相同的應(yīng)力條件下，體積分?jǐn)?shù)越大，應(yīng)變值相對較大，殘余應(yīng)變越大。如圖8(b)所示，在體積分?jǐn)?shù)相同，顆粒尺寸不同的條件下，顆粒越大，殘余應(yīng)變越大，形成的閉合環(huán)越大。閉合環(huán)表明在應(yīng)力卸載過程中釋放能量，閉合環(huán)越大能量消耗越多，因此具有抗震緩沖的效果。

以30～60 μm-10%、90～120 μm-10%為例，其中，30～60 μm-10%表示 合金顆粒尺寸為30～60 μm、體積分?jǐn)?shù)為10%復(fù)合材料試件； 90～120 μm-10%表示合金顆粒尺寸為90～120 μm、體積分?jǐn)?shù) 為10%復(fù)合材料試件圖8 不同試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.8 Comparison of stress-strain curves of different specimens

4 結(jié)論

以NiMnGa合金復(fù)合材料試件為研究對象，分別對不同尺寸和體積分?jǐn)?shù)的試件進(jìn)行試驗(yàn)研究。為了提高復(fù)合材料在單一應(yīng)力條件下的應(yīng)變值，使試件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)得到更好的調(diào)整，減少孿晶界的移動，所以需要對試件進(jìn)行壓縮力學(xué)訓(xùn)練，這樣還有利于馬氏體變體的轉(zhuǎn)變。壓縮力學(xué)訓(xùn)練完成后，使用WDW-300型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對曲線進(jìn)行分析總結(jié)，得出如下結(jié)論。

(1)在溫度不變，外力相同條件下，復(fù)合材料相比合金而言，應(yīng)變相同時需要更大的應(yīng)力值，并且在壓應(yīng)力卸載為0后，復(fù)合材料會有較小的殘余應(yīng)變。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂基體包裹合金顆粒，所以NiMnGa合金顆粒的應(yīng)變會受到阻礙，但NiMnGa合金顆粒受到較小的外載荷，大部分載荷環(huán)氧樹脂基體承擔(dān)，這樣可以改善合金顆粒易碎的缺點(diǎn)。

(2)不同尺寸的NiMnGa合金顆粒影響復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變，但復(fù)合材料發(fā)生馬氏體變體重取向的臨界應(yīng)力約為40 MPa。隨著合金顆粒含量的增加，壓縮應(yīng)力卸載后，復(fù)合材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)變會更大。這樣復(fù)合材料緩沖的效果更好。