形狀記憶合金板雙向形狀記憶效應(yīng)訓(xùn)練

郝 林，陳子雄

(1.上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210) (2.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院，江蘇 南京 210016)

形狀記憶合金(shape memory alloys, SMAs)是一種集傳感和驅(qū)動于一身的功能材料，以其具有特殊的形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，SME)、超彈性效應(yīng)(pseudo-elastic，PE)、高阻尼等特性受到了青睞并得到廣泛應(yīng)用。這些特性主要?dú)w功于形狀記憶合金受外界刺激(例如溫度場、磁場等)而產(chǎn)生的無擴(kuò)散可逆相變過程[1]。近等原子比NiTi合金具有優(yōu)異的熱誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，是目前已知的形狀記憶合金中性能最好、應(yīng)用最為廣泛的一種[2]。經(jīng)過特殊熱力循環(huán)訓(xùn)練的NiTi合金能同時記憶兩種不同的形狀，一種為低溫形狀，另一種為高溫形狀，即其具有雙向形狀記憶效應(yīng)(two-way shape memory effect，TWSME)[3]。截至目前的研究結(jié)果顯示，具有雙向形狀記憶效應(yīng)的NiTi合金最大有4.1%的雙向形狀記憶應(yīng)變量[4]，因此非常適合用于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中[5]。

近幾十年來，SMAs在智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究也有了長足的進(jìn)展。20世紀(jì)末，NASA(National Aeronautics and Space Administration)以F-15E飛機(jī)進(jìn)氣道為平臺，利用SMA驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了對進(jìn)氣道涵道形狀的主動控制，并在試驗(yàn)中達(dá)到了理想效果[6]；波音公司利用SMA條帶改變發(fā)動機(jī)尾噴口面積，達(dá)到了降低發(fā)動機(jī)噪聲、節(jié)省燃油等目的[7]；王明義[8]對SMA用于提高結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行了研究，并取得了理想的控制效果。這些研究工作僅將SMAs作為驅(qū)動器用于結(jié)構(gòu)中，且主要應(yīng)用于一維或二維結(jié)構(gòu)。趙澎濤等[9]針對基于三維SMA的自適應(yīng)變體結(jié)構(gòu)展開研究，通過數(shù)值分析表明具有TWSME的三維SMA結(jié)構(gòu)在熱驅(qū)動下能產(chǎn)生可觀的宏觀變形，同時還探究了SMA鼓包雙向記憶變形與初始預(yù)應(yīng)變之間的聯(lián)系。

目前對SMA的TWSME訓(xùn)練方法的研究主要針對的是一維或二維結(jié)構(gòu)，如絲、彈簧、梁等。三維SMA結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用時，其邊界的約束作用將對SMA結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響，傳統(tǒng)訓(xùn)練方法未能考慮這一問題。

本文以近等原子比SMA圓形薄板為研究對象，結(jié)合傳統(tǒng)訓(xùn)練方法，提出了一種適用于約束邊界條件下的三維結(jié)構(gòu)訓(xùn)練方法并實(shí)現(xiàn)對雙向形狀記憶效應(yīng)的訓(xùn)練，通過實(shí)驗(yàn)方法研究了不同外載荷對雙向形狀記憶效應(yīng)的影響。

1 形狀記憶合金板訓(xùn)練

1.1 形狀記憶合金板制備及熱處理

實(shí)驗(yàn)所用材料為Ni50.1Ti49.9近等原子比鎳鈦合金板材，板厚為0.5 mm。為了進(jìn)行SMA訓(xùn)練試驗(yàn)，將形狀記憶合金板材切割成直徑為120 mm的圓板，如圖1所示，在板周邊加工6個圓孔以便施加固定邊界約束。除去約束邊界，所設(shè)計的形狀記憶合金板變形區(qū)直徑為80 mm。

圖1 形狀記憶合金圓板

為了消除形狀記憶合金板的加工硬化，改善其力學(xué)性能，需要對板進(jìn)行一些熱處理?；谝酝难芯拷Y(jié)果[10]，本文將形狀記憶合金板壓平并置于450 ℃下保溫30 min進(jìn)行熱處理。為測量經(jīng)熱處理后的相變溫度，從SMA板上取樣5 mg后進(jìn)行DSC(differential scanning calorimeter)測試，加熱/冷卻速率為30 ℃/min，測試結(jié)果如圖2所示。利用切線法可得到馬氏體正相變起始溫度(Ms)、馬氏體正相變結(jié)束溫度(Mf)、馬氏體逆相變起始溫度(As)、馬氏體逆相變結(jié)束溫度(Af)，分別為44.1 ℃、-5.8 ℃、59.2 ℃和84.2 ℃。

圖2 DSC測試結(jié)果

1.2 形狀記憶合金板雙向記憶效應(yīng)訓(xùn)練方法

與形狀記憶效應(yīng)以及超彈性效應(yīng)不同，要賦予記憶合金對低溫形狀的記憶，使其具有雙向形狀記憶效應(yīng)，還需要使合金經(jīng)過特定的熱機(jī)械循環(huán)訓(xùn)練過程，即讓記憶合金在溫度與應(yīng)力交替或復(fù)合作用下經(jīng)歷多次可逆相變[11]。

獲得雙向形狀記憶效應(yīng)的訓(xùn)練方法有很多，主要是在記憶合金中引入位錯，利用特殊排列的位錯形成應(yīng)力場使冷卻過程中馬氏體變體在某些方向上擇優(yōu)取向，從而誘發(fā)雙向形狀記憶效應(yīng)[12]。 Blonk等[13]對前人工作進(jìn)行了總結(jié)并概括為表1所列的6類訓(xùn)練方法，通過實(shí)驗(yàn)對比認(rèn)為經(jīng)Hebda和White提出的方法訓(xùn)練得到的記憶合金表現(xiàn)出最大的雙向形狀記憶變形(約4.0%)；Liu等[14]提出了恒應(yīng)力下相變循環(huán)訓(xùn)練、形狀記憶與超彈性復(fù)合訓(xùn)練、形狀記憶訓(xùn)練以及加載約束循環(huán)訓(xùn)練4種方法；Luo等[15]詳細(xì)比較研究了文獻(xiàn)[14]提出的方法，認(rèn)為形狀記憶與超彈性復(fù)合訓(xùn)練法可獲得最大雙向記憶效應(yīng)應(yīng)變量，恒應(yīng)力下相變循環(huán)訓(xùn)練方法亦可得到較大的雙向記憶效應(yīng)，但訓(xùn)練效率較低。

表1 雙向形狀記憶效應(yīng)訓(xùn)練方法

由于形狀記憶合金相變溫度點(diǎn)隨著其內(nèi)部應(yīng)力場的變化而改變，因此具體加載過程中很難依靠溫度值判斷其是否發(fā)生相變[16]。此外，大多數(shù)訓(xùn)練方法還需在訓(xùn)練前設(shè)定記憶合金內(nèi)部的應(yīng)力或應(yīng)變。而對于本文的薄板結(jié)構(gòu)，由于邊界約束作用，形狀記憶合金內(nèi)部應(yīng)力或應(yīng)變不會處處相同，因此這些方法不能直接滿足本文的訓(xùn)練要求[17-18]。

事實(shí)上，形狀記憶合金的楊氏模量會隨著相變過程的進(jìn)行而改變。一般來說，SMA奧氏體相下的楊氏模量高于馬氏體相(本文所用形狀記憶合金材料，奧氏體相下的楊氏模量約為50.3 GPa，馬氏體相下約為22.0 GPa)，這一特殊性質(zhì)會導(dǎo)致記憶合金訓(xùn)練時加載的力隨著相變的進(jìn)行而發(fā)生改變。因此，可利用這一特殊現(xiàn)象判斷訓(xùn)練加載溫度是否已經(jīng)達(dá)到形狀記憶合金實(shí)際相變溫度點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，本文基于Hebda和White提出的訓(xùn)練方法以及恒應(yīng)力下相變循環(huán)訓(xùn)練方法提出適用于約束條件下的恒變形循環(huán)訓(xùn)練方法，其過程如下：1)將形狀記憶合金固定于訓(xùn)練裝置中，加熱至Af+30 ℃左右；2)對奧氏體相下的形狀記憶合金板加載，使之變形成所需形狀；3)保持變形加載不變，降低形狀記憶合金溫度，直至訓(xùn)練加載力不再減?。?)保持變形加載不變，升高形狀記憶合金板溫度，直至訓(xùn)練加載力不再增大；5)重復(fù)3)、4)步驟直至加載力不再變化。

需要說明的是，在第1)步中形狀記憶合金被約束在訓(xùn)練裝置中，升溫時由于熱脹冷縮，結(jié)構(gòu)中也將出現(xiàn)一定應(yīng)力場，因此一般在該階段需將記憶合金加熱至Af+30 ℃左右，以保證此時記憶合金必定為完全奧氏體相。

1.3 形狀記憶合金板訓(xùn)練裝置設(shè)計

為使形狀記憶合金板在約束邊界條件下仍存在雙向形狀記憶效應(yīng)，訓(xùn)練時必須使形狀記憶合金板中性面產(chǎn)生較大的形變。為了能對形狀記憶合金板施加足夠大的訓(xùn)練載荷，訓(xùn)練過程中利用試驗(yàn)機(jī)施加載荷。圖3為所設(shè)計的訓(xùn)練約束裝置內(nèi)部示意圖。訓(xùn)練時，試驗(yàn)機(jī)通過球形訓(xùn)練模具對形狀記憶合金板施加訓(xùn)練載荷，使之產(chǎn)生變形，利用保溫石棉將模具與形狀記憶合金板隔離，以減少訓(xùn)練模具與形狀記憶合金板之間的熱傳遞，提高升/降溫效率。加熱模塊則是利用100 W/220 V玻璃纖維加熱帶制成的圓形加熱器，利用液氮對記憶合金板進(jìn)行降溫，利用工字型支架將液氮導(dǎo)管固定于裝置中。

圖3 約束裝置內(nèi)部示意圖

1.4 訓(xùn)練裝置效果測試

本文利用熱像儀對形狀記憶合金板表面溫度場進(jìn)行測試。圖4所示為板升溫至中心溫度為100 ℃時的溫度場分布情況。由圖可以看出，SMA板表面大部分區(qū)域的溫度場分布比較均勻，但因訓(xùn)練裝置導(dǎo)熱造成板邊緣處溫度相對較低。實(shí)際測得利用該裝置將SMA板由-80 ℃升溫至120 ℃再降溫至-80 ℃(一個訓(xùn)練周期的溫度變化范圍)所需的時間約為5 min。

圖4 升溫時板表面溫度分布

1.5 形狀記憶合金板的訓(xùn)練

為使得形狀記憶合金板中性面產(chǎn)生足夠大的變形，本文利用圖5所示的訓(xùn)練模具(曲率半徑為66.25 mm)對奧氏體相下的形狀記憶合金板施加能產(chǎn)生10 mm位移的載荷，并在訓(xùn)練階段保持位移恒定不變。

圖5 訓(xùn)練模具

圖6所示為恒變形訓(xùn)練過程中對形狀記憶合金板施加的載荷，其中因形狀記憶合金板雙向記憶效應(yīng)產(chǎn)生的力由奧氏體相下訓(xùn)練載荷與馬氏體相下訓(xùn)練載荷差值計算得到。在開始幾個訓(xùn)練周期內(nèi)，由于形狀記憶合金自身蠕變效應(yīng)以及塑性應(yīng)變的累積，因此奧氏體相下訓(xùn)練載荷總體呈下降趨勢，而馬氏體相下訓(xùn)練載荷呈十分緩慢的上升趨勢。經(jīng)過大約20次訓(xùn)練之后，各相下的訓(xùn)練載荷均趨于穩(wěn)定。

由于形狀記憶合金板在熱處理階段已被設(shè)定為高溫形狀，而訓(xùn)練則是使其具備低溫形狀，因此本文所訓(xùn)練的形狀記憶合金板具有升溫變平、降溫鼓起的特性。然而，訓(xùn)練過程中引入的不可恢復(fù)形變導(dǎo)致了形狀記憶合金板在高溫下仍然具有一定的撓度變形，圖7所示為板經(jīng)過不同訓(xùn)練次數(shù)后室溫下的殘余變形。

圖6 訓(xùn)練周期內(nèi)訓(xùn)練載荷演變

圖7 形狀記憶合金板殘余變形

2 約束條件下形狀記憶合金板熱力學(xué)特性

2.1 無載荷條件下形狀記憶合金板雙向記憶效應(yīng)

本文利用圖8所示的裝置對所訓(xùn)練的形狀記憶合金板雙向形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行測試。利用千分表測量形狀記憶合金板的變形，利用T型熱電偶測量形狀記憶合金板中心處溫度。

圖8 測試實(shí)驗(yàn)裝置

圖9所示為形狀記憶合金板撓度變形隨溫度變化的曲線。升溫初始階段(0—1段)，形狀記憶合金板為完全馬氏體態(tài)，此階段溫度并未達(dá)到As溫度，不會發(fā)生馬氏體逆相變，只會出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象。由于訓(xùn)練后的形狀記憶合金板存在殘余變形，因此其高度有所增加，因熱膨脹產(chǎn)生的撓度變形約為0.14 mm。當(dāng)溫度升高至約35.6 ℃時，達(dá)到了As溫度，形狀記憶合金板開始發(fā)生相變，直到升溫至大約68.5 ℃，達(dá)到Af溫度，相變結(jié)束。在這一階段，形狀記憶合金板開始發(fā)生馬氏體逆相變，呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，撓度迅速減小。整個相變階段，板撓度大約減小0.57 mm。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高(2—3階段)，與0—1階段相同，形狀記憶合金板只出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象，高度再次增加，直至升溫結(jié)束。降溫初始階段(3—4階段)，形狀記憶合金板處于完全奧氏體相，由于溫度并未達(dá)到Ms溫度，形狀記憶合金板只表現(xiàn)出冷縮現(xiàn)象，撓度緩慢減小。當(dāng)溫度降低至27.4 ℃，達(dá)到Ms溫度時，馬氏體相變開始發(fā)生，此時形狀記憶合金板因馬氏體相變而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，撓度迅速增大，直至降溫至-6.2 ℃時相變結(jié)束。此階段，板撓度增大約0.60 mm。繼續(xù)降溫(5—0階段)，形狀記憶合金板只出現(xiàn)冷卻收縮現(xiàn)象，因此板中心點(diǎn)撓度又緩慢減小。在整個升、降溫期間，形狀記憶合金板雙向記憶變形約為0.75 mm，為形狀記憶合金板變形區(qū)半徑的1.88%。

圖9 形狀記憶合金板撓度隨溫度變化

2.2 均布載荷下形狀記憶合金板雙向記憶效應(yīng)

形狀記憶合金板作為一種自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的一個重要問題即是板在外載荷條件下的雙向形狀記憶性能。圖10所示為形狀記憶合金板在均布載荷條件下雙向記憶效應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。為了避免鐵砂吸收過多熱量而導(dǎo)致升溫困難，實(shí)驗(yàn)中將保溫石棉置于鐵砂與板之間，隔熱的同時也能使加載載荷分布更加均勻。

圖11所示為形狀記憶合金板雙向形狀記憶變形隨加載載荷變化的曲線。由圖中可以看出，隨著載荷增大，形狀記憶合金板產(chǎn)生的雙向記憶變形變小。當(dāng)載荷增加至4 000 Pa時，其雙向記憶變形比載荷為0時減小0.1 mm(約13%)。圖12所示為不同外加載荷下板高度隨溫度變化曲線。從圖中可以看出，外加載荷不僅使得板的雙向記憶變形減小，同時對相變溫度點(diǎn)也有很大影響。與無外加載荷相比，形狀記憶合金板實(shí)際相變點(diǎn)溫度As略微升高，Ms溫度以及Mf溫度明顯減小，而Af溫度則沒有發(fā)生太大變化。這表明外載荷作用主要對形狀記憶合金板馬氏體正相變溫度有較大影響，而對逆相變起始時刻影響不大。外加載荷由2 000 Pa升至4 000 Pa時，板相變Mf溫度降低，而相變As,Af,Ms溫度均沒有明顯變化。

圖10 分布加載時形狀記憶合金板測試裝置

圖11 不同載荷下形狀記憶合金板雙向記憶變形

3 結(jié)論

本文提出了一種適用于約束條件下的形狀記憶合金板雙向記憶效應(yīng)訓(xùn)練方案，基于該方案制備了雙向記憶效應(yīng)形狀記憶合金板和試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1)經(jīng)過約20次左右的循環(huán)訓(xùn)練，形狀記憶合金板雙向記憶效應(yīng)穩(wěn)定，有3.2 mm左右高度方向的殘余變形。

圖12 不同載荷下形狀記憶合金板撓度隨溫度變化

2)外加均布載荷對形狀記憶合金板雙向形狀記憶變形有比較大的影響，外加載荷越大，形狀記憶合金板產(chǎn)生的雙向記憶變形越小。

3)不同載荷條件下的測試結(jié)果顯示，施加外載荷會使約束條件下形狀記憶合金板馬氏體正相變溫度偏低，而對逆相變溫度影響不大；此外，外載荷變化僅對形狀記憶合金板馬氏體正相變結(jié)束溫度產(chǎn)生較為明顯的影響。