鐵基形狀記憶合金力學(xué)性能和激活回復(fù)性能研究

強(qiáng)旭紅， 武亞鵬， 姜 旭

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

土木工程結(jié)構(gòu)（如橋梁、建筑和桅塔等）在設(shè)計(jì)、建造、施工過程中可能存在各種缺陷，長(zhǎng)期服役狀態(tài)下因超載、腐蝕、疲勞等原因會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂和老化，并且隨時(shí)間不斷累積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，需要進(jìn)行加固修復(fù)來提升結(jié)構(gòu)的承載能力和延長(zhǎng)使用壽命。

利用形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）的形狀記憶特性，在不使用千斤頂?shù)葟?fù)雜設(shè)備的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固一直被各國(guó)學(xué)者關(guān)注和研究。使用SMA 對(duì)被加固結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，SMA 在整個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)度上產(chǎn)生均勻的壓縮，施加預(yù)應(yīng)力階段不會(huì)發(fā)生摩擦損失［1］，而且蠕變等長(zhǎng)期作用下引起的預(yù)應(yīng)力損失可通過重新激活SMA 來補(bǔ)償［2］。

在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的SMA 有鎳鈦基形狀記憶合金（NiTi-SMA）和鐵基形狀記憶合金（Fe-SMA）兩類。Fe-SMA 的形狀恢復(fù)能力（約為1%）相對(duì)NiTi-SMA 較弱，但在強(qiáng)度、塑性、成形加工等方面性能優(yōu)越，更重要的是其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于NiTi-SMA，因而更適合在土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［3-4］。Soroushian 等人最早使用Fe-SMA（Fe-28Mn-6Si-5Cr）對(duì)美國(guó)密西根州一座橋梁的剪切裂縫進(jìn)行了外部加固［5］，提高了結(jié)構(gòu)的抗剪承載性能。近年來瑞士的Empa 研究所對(duì)其研發(fā)的Fe-SMA（Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1（V，C））進(jìn)行了力學(xué)性能、激活回復(fù)性能、結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用等系列研究，證明了Fe-SMA 加固結(jié)構(gòu)的可行性和高效性［6-8］。

在我國(guó)應(yīng)用Fe-SMA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)具有巨大潛力，但進(jìn)口Fe-SMA價(jià)格極高，且相關(guān)研究和應(yīng)用存在很大不足。因此，本文對(duì)國(guó)產(chǎn)Fe-SMA 的力學(xué)性能和激活回復(fù)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，期望降低造價(jià)的同時(shí)指導(dǎo)國(guó)產(chǎn)Fe-SMA用于土木工程結(jié)構(gòu)加固的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 Fe-SMA材料

1.1 材料特性

SMA 含有奧氏體和馬氏體兩個(gè)不同晶體結(jié)構(gòu)的相態(tài)，在溫度和應(yīng)力作用下奧氏體和馬氏體之間的相態(tài)轉(zhuǎn)變稱為馬氏體相變，相變過程中材料原子間發(fā)生無擴(kuò)散的固態(tài)位移轉(zhuǎn)變，具有可恢復(fù)性（見圖1a），不同于普通鋼材受力時(shí)原子間因滑移和重新排列而發(fā)生的塑性變形（見圖1b）［9］。

圖1 SMA發(fā)生變形時(shí)不同的原子行為［9］Fig.1 Different atomic behavior when SMA deforms[9]

SMA在馬氏體相變過程中存在四個(gè)特征溫度，分別為馬氏體相變開始溫度Ms、馬氏體相變結(jié)束溫度Mf、奧氏體相變開始溫度As和奧氏體相變結(jié)束溫度Af，溫度和相變過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。Fe-SMA 的形狀記憶效應(yīng)如圖3 所示：常溫下（T＜As）對(duì)材料施加荷載會(huì)使Fe-SMA 發(fā)生宏觀變形，宏觀變形包括彈性變形、偽彈性變形、可恢復(fù)變形和塑性變形4 部分（路徑①）；移除外加荷載后彈性變形和偽彈性變形可恢復(fù)（路徑②）；此時(shí)對(duì)材料進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度超過As后將發(fā)生馬氏體逆向相變，可恢復(fù)變形會(huì)隨著馬氏體逆相變逐漸消失，溫度超過Af后殘余變形只剩下塑性變形部分（路徑③）；升溫完成后的降溫階段若沒有外力作用將不會(huì)發(fā)生新的變形（路徑④）。

圖2 SMA相變特征溫度Fig.2 Phase transition temperature

圖3 SMA的形狀記憶效應(yīng)Fig.3 Shape memory effect of SMA

1.2 材料生產(chǎn)工藝

根據(jù)目前土木工程領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)加固所需材料的要求，本文研發(fā)Fe-SMA 的合金元素成分和比例為Fe-15Mn-4.5Si-10Cr-5Ni-0.1C-0.03Nb。Fe-SMA 用普通純Fe、金屬M(fèi)n、金屬Si、金屬Cr、電解Ni、C以及Nb為原料，使用真空感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉，在氬氣保護(hù)下澆筑成鋼錠。鑄錠進(jìn)行1 250℃均勻化退火15h，空冷至室溫。熱鍛得到厚度50mm 的Fe-SMA 錠塊，再進(jìn)行熱軋，得到厚度為5mm 的Fe-SMA 熱軋板。應(yīng)用Fe-SMA 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷修復(fù)或承載能力提升時(shí)所需材料用量較大，也需要用到厚度較薄的Fe-SMA。因此，為滿足工程應(yīng)用需求同時(shí)降低材料造價(jià)，對(duì)Fe-SMA熱軋板進(jìn)行冷軋（最大下壓量40%），得到厚度1.8mm 的Fe-SMA 冷軋板。

Fe-SMA 熱軋板的金相組織如圖4a 所示，奧氏體晶粒沿軋制方向被壓扁拉長(zhǎng)，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)。因此，F(xiàn)e-SMA 熱軋板和冷軋板在軋制完成后需要進(jìn)行800℃時(shí)效熱處理（800℃時(shí)效熱處理：將合金在800℃溫度下進(jìn)行持續(xù)1h的高溫處理，之后水冷至室溫），經(jīng)過800℃時(shí)效處理后奧氏體晶粒發(fā)生了再結(jié)晶，系統(tǒng)由高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的低能狀態(tài)（見圖4b）。

圖4 Fe-SMA金相組織Fig.4 Metallographic structure of Fe-SMA

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 材性試件

為得到Fe-SMA的力學(xué)性能參數(shù)（彈性模量、屈服應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度、延伸率等），根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1-2010）［10］設(shè)計(jì)了Fe-SMA 材性試件（如圖5 所示）進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。根據(jù)軋制工藝不同，分別設(shè)計(jì)了熱軋板和冷軋板兩組，熱軋板編號(hào)為RZ-1—RZ-6，F(xiàn)e-SMA 冷軋板編號(hào)為L(zhǎng)Z-1—LZ-6。板材拉伸試件按照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》（GB/T 2975-2018）［11］進(jìn)行全截面取樣。

圖5 Fe-SMA材性試件尺寸Fig.5 Geometry of test specimens

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加載在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》［10］，采用兩階段加載控制。第1階段采用應(yīng)變速率3.0×10-4s-1控制加載；應(yīng)變達(dá)到0.05 后，采用位移速率2.0mm·min-1加載至試件斷裂。第1 階段加載主要用于測(cè)量Fe-SMA 的初始彈性模量和名義屈服強(qiáng)度，第2 階段主要用于測(cè)量Fe-SMA材料的抗拉極限強(qiáng)度和延伸率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 Fe-SMA熱軋板

Fe-SMA 熱軋板靜力拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6 所示，力學(xué)性能參數(shù)列于表1。Fe-SMA 為沒有明顯的屈服平臺(tái)的彈塑性材料，因此用其規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.01和Rp0.2（塑性延伸率為0.01%和0.2%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）來表征材料的屈服強(qiáng)度，進(jìn)而分析材料的力學(xué)性能。

表1 Fe-SMA熱軋板的材性參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of hot-rolled Fe-SMA plate

圖6 Fe-SMA熱軋板工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of hot-rolled Fe-SMA plate

取應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始階段的切線模量為彈性模量，試驗(yàn)得到Fe-SMA 熱軋板的彈性模量在170GPa～200GPa之間，平均值為182GPa，與普通鋼材較為接近。Fe-SMA熱軋板的Rp0.01和Rp0.2均值分別為565MPa 和734MPa，抗拉強(qiáng)度均值高達(dá)1 136MPa，總延伸率均值為45.0%，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的承載能力和優(yōu)異的延展性。

2.3.2 Fe-SMA冷軋板

Fe-SMA冷軋板的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，力學(xué)性能參數(shù)列于表2。冷軋板彈性模量均值為166GPa，與熱軋板相差不大；抗拉強(qiáng)度和總延伸率分別為894MPa 和35.5%，與熱軋板相比分別下降了21.31%和21.12%；Rp0.01和Rp0.2均值分別為350MPa和490MPa，相比熱軋板也有所降低；但是冷軋板的名義屈服強(qiáng)度和延展性仍然高于普通鋼材。

表2 Fe-SMA冷軋板的材性參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of cold-rolled Fe-SMA plate

圖7 Fe-SMA冷軋板的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of cold-rolled Fe-SMA plate

2.4 對(duì)比分析

將國(guó)外學(xué)者的Fe-SMA 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3，并與本文研究的Fe-SMA 進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，不同元素組分Fe-SMA 的彈性模量差別較大，分布在120GPa～200GPa 范圍?？估瓘?qiáng)度均超過800MPa，名義屈服強(qiáng)度在400MPa～750MPa 之間，具有良好的承載能力?？傮w上，根據(jù)彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和總延伸率等基本材性指標(biāo)來看，本文所研究的Fe-SMA 可以比肩甚至超過國(guó)際水準(zhǔn)。

表3 Fe-SMA力學(xué)性能對(duì)比Tab.3 Comparison on mechanical properties of Fe-SMA

3 激活回復(fù)性能

根據(jù)前文對(duì)Fe-SMA 形狀記憶效應(yīng)的介紹，材料被拉伸后卸載將產(chǎn)生殘余變形，拉伸過程中由馬氏體相變引發(fā)的可恢復(fù)變形經(jīng)升溫加熱可以得到恢復(fù)（見圖3，路徑③）。如果在加熱激活過程中對(duì)Fe-SMA 構(gòu)件兩端施加約束，限制其自由變形，則可在Fe-SMA 構(gòu)件中產(chǎn)生回復(fù)應(yīng)力（見圖8），此即為Fe-SMA的激活回復(fù)性能。

圖8 Fe-SMA激活回復(fù)過程Fig.8 Activate process of Fe-SMA

之后，F(xiàn)e-SMA 將以激活后的回復(fù)應(yīng)力為基礎(chǔ)，在服役應(yīng)力狀態(tài)下繼續(xù)工作（見圖8b 中虛線）。

以梁式結(jié)構(gòu)加固為例，激活Fe-SMA 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固的過程如圖9所示。

圖9 Fe-SMA加固過程Fig.9 Reinforcement process of Fe-SMA

將預(yù)拉伸后的Fe-SMA構(gòu)件連接到被加固結(jié)構(gòu)上，激活Fe-SMA使其發(fā)生馬氏體逆相變，從而引入預(yù)應(yīng)力，加固后的放大效果為使梁出現(xiàn)反拱效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)在正常使用階段的剛度和極限承載能力。應(yīng)用Fe-SMA 修復(fù)構(gòu)件的局部裂紋時(shí)，可以增加開裂部位的剛度以減小應(yīng)力響應(yīng)，同時(shí)通過激活Fe-SMA引入預(yù)應(yīng)力來減小平均應(yīng)力。

本節(jié)對(duì)Fe-SMA 的激活回復(fù)特性進(jìn)行研究，明確其在不同預(yù)拉伸應(yīng)變與激活溫度組合作用下所能達(dá)到的回復(fù)應(yīng)力水平。

3.1 試件準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)圖10 所示的Fe-SMA 試件進(jìn)行激活回復(fù)性能測(cè)試。由于試件需要放到高溫爐中進(jìn)行升溫加熱，高溫爐高度為220mm，因此試件總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為400mm，放置于高溫爐內(nèi)后剩余夾持端長(zhǎng)度為90mm。根據(jù)軋制方式不同，對(duì)Fe-SMA熱軋板冷軋板分別進(jìn)行測(cè)試。

圖10 激活測(cè)試試件尺寸（單位：mm）Fig.10 Activation test specimens size (Unit: mm)

3.2 加載方案

試驗(yàn)裝置如圖11所示，采用高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)Fe-SMA 試件進(jìn)行加載，其最大加載力為300kN。加熱爐采用MTS653.04型高溫爐，最高加熱溫度為1 400℃。加熱爐分上、中、下3 段加熱，高溫爐配備一個(gè)熱電偶用于調(diào)控爐溫。同時(shí)在Fe-SMA試件測(cè)試段部位布置3 個(gè)外加熱電偶，用以測(cè)量試件表面的真實(shí)溫度。試件的變形采用高溫陶瓷引伸計(jì)測(cè)量，精度為0.001mm。

圖11 激活回復(fù)試驗(yàn)設(shè)備Fig.11 Activation test device

按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》［10］，預(yù)拉伸階段采用應(yīng)變速率3.0×10-4s-1控制加載，達(dá)到指定預(yù)拉伸應(yīng)變后卸載至應(yīng)力為0。為了防止試件在加熱激活過程中出現(xiàn)受壓屈曲，對(duì)試件施加50MPa 的初始拉伸應(yīng)力，之后保持應(yīng)變恒定，對(duì)Fe-SMA 試件進(jìn)行升溫激活。對(duì)于Fe-SMA冷軋板，由于其厚度較薄，拉伸至6%預(yù)應(yīng)變后卸載至應(yīng)力為100MPa，繼而保持應(yīng)變恒定進(jìn)行升溫激活。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 Fe-SMA熱軋板

加熱激活設(shè)置6 個(gè)溫度梯度，分別為150℃、200℃、250℃、300℃、350℃和400℃。預(yù)拉應(yīng)變?cè)O(shè)置5個(gè)梯度，分別為2%、3%、4%、6%、8%。本文采取“預(yù)拉伸卸載—梯度升溫—回復(fù)應(yīng)力”和“預(yù)拉伸卸載—單次升溫—回復(fù)應(yīng)力”兩種加熱激活模式。梯度升溫為保持應(yīng)變恒定下進(jìn)行20℃（室溫）→150℃→20℃→200℃→20℃→250℃→20℃→300℃→20℃→350℃→20℃→400℃→20℃的梯度升溫過程，單次升溫為保持應(yīng)變恒定下進(jìn)行150℃、200℃、250℃、300℃、350℃和400℃單次加熱激活。

Fe-SMA熱軋板的激活回復(fù)試驗(yàn)結(jié)果列于表4?？梢钥闯觯诓煌念A(yù)拉伸應(yīng)變下梯度升溫和單次升溫兩種加熱模式下所得回復(fù)應(yīng)力結(jié)果十分接近，實(shí)際工程應(yīng)用中疲勞、蠕變等長(zhǎng)期作用引起的預(yù)應(yīng)力損失可以通過重新激活SMA進(jìn)行補(bǔ)償。

表4 Fe-SMA熱軋板激活回復(fù)應(yīng)力表Tab.4 Activation-recovery stress of hot-rolled Fe-SMA plate

不同預(yù)拉伸應(yīng)變與激活溫度作用下最大回復(fù)應(yīng)力組合列于表5。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，2%預(yù)拉伸應(yīng)變與150℃激活條件下回復(fù)應(yīng)力為165MPa，4%預(yù)拉伸應(yīng)變與200℃條件下回復(fù)應(yīng)力為213MPa，4%預(yù)拉伸應(yīng)變與300℃條件下回復(fù)應(yīng)力可以達(dá)到314MPa。本文所研發(fā)Fe-SMA的回復(fù)應(yīng)力可以達(dá)到普通鋼結(jié)構(gòu)（如Q235 和Q355 等）的工作應(yīng)力水平，滿足目前工程應(yīng)用中針對(duì)鋼板裂紋修復(fù)和梁式結(jié)構(gòu)承載能力提升的需求。

表5 回復(fù)應(yīng)力最佳組合Tab.5 The optimized combination of recovery stress

不同激活溫度下回復(fù)應(yīng)力水平的對(duì)比如圖12所示。隨著溫度的升高，各預(yù)拉伸應(yīng)變下回復(fù)應(yīng)力的升高趨勢(shì)保持一致。在150℃～300℃升溫過程中，回復(fù)應(yīng)力隨溫度升高基本保持線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。由300℃向400℃升溫的過程中回復(fù)應(yīng)力繼續(xù)增加，但是增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩。

圖12 不同激活溫度對(duì)比Fig.12 Comparison of different activation temperatures

不同預(yù)拉伸應(yīng)變下回復(fù)應(yīng)力水平的對(duì)比如圖13所示。在150℃～400℃的升溫過程中，等溫線的間距變化趨也表明了圖12 所示的回復(fù)應(yīng)力升高趨勢(shì)?？傮w上，預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)?%～4%范圍內(nèi)時(shí)，加熱激發(fā)溫度在150℃～300℃范圍就可以得到更好的激活回復(fù)效果（效果好于300℃以上的激發(fā)溫度）；而預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?%和8%時(shí)，需要較高的激活溫度（350℃、400℃）才能得到更好的激活回復(fù)效果。因此，F(xiàn)e-SMA 熱軋板在工程應(yīng)用時(shí)預(yù)拉伸應(yīng)變只需控制在2%～4%范圍內(nèi)，更高的預(yù)拉伸應(yīng)變需要的激活溫度過高，實(shí)現(xiàn)難度高的同時(shí)也超過了結(jié)構(gòu)的安全允許溫度，可能造成結(jié)構(gòu)二次損傷。

3.3.2 Fe-SMA冷軋板

圖13 不同預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)比Fig.13 Comparisoof different pre-tension strains

設(shè)計(jì)了4 個(gè)Fe-SMA 冷軋板的加熱激活試件，編號(hào)為JH-1—JH-4。冷軋激活試件的預(yù)拉伸應(yīng)變統(tǒng)一設(shè)定為6%，試件JH-1和JH-2進(jìn)行20℃（室溫）→150℃→20℃→200℃→20℃→250℃→20℃→300℃→20℃→400℃→20℃的梯度升溫激活，試件JH-3和JH-4進(jìn)行200℃單次升溫激活。

在6%預(yù)拉伸應(yīng)變下，冷軋板梯度升溫模式所得回復(fù)應(yīng)力結(jié)果列于表6，F(xiàn)e-SMA熱軋板和冷軋板激活回復(fù)應(yīng)力對(duì)比如圖14所示。

表6 Fe-SMA冷軋板激活回復(fù)應(yīng)力Tab.6 Activation-recovery stress of cold-rolled Fe-SMA plate

圖14 熱軋板和冷軋板回復(fù)應(yīng)力對(duì)比Fig.14 Recovery stress comparison of hot-rolled and cold-rolled plate

從增長(zhǎng)趨勢(shì)上看，F(xiàn)e-SMA 冷軋板在150℃到300℃梯度升溫過程中回復(fù)應(yīng)力增長(zhǎng)速度相對(duì)熱軋板較慢，而激活溫度由300℃升高到400℃的過程中回復(fù)應(yīng)力增加十分微小，沒有表現(xiàn)出類似于熱軋板的可循環(huán)性能。試件JH-1、JH-2在6%預(yù)拉伸應(yīng)變與200℃梯度激活條件下所得回復(fù)應(yīng)力分別為240MPa 和204MPa，試件JH-3、JH-4 在6%預(yù)拉伸應(yīng)變與200℃單次激活條件下所得的回復(fù)應(yīng)力分別為270MPa和300MPa，單次升溫模式的回復(fù)應(yīng)力大于梯度升溫模式。

出現(xiàn)上述差異的原因是冷軋板在熱軋板的基礎(chǔ)上經(jīng)過冷軋加工工藝得到，在冷軋過程中Fe-SMA的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)受到影響，雖然經(jīng)過800℃時(shí)效處理后又由馬氏體相轉(zhuǎn)變回奧氏體相，但是Fe-SMA 材料的形狀記憶性能變差，因而反復(fù)升溫激活過程累積效應(yīng)降低。

如圖15 所示，以試件JH4 為例來分析Fe-SMA加熱激活過程中的應(yīng)變-應(yīng)力和溫度-應(yīng)力的關(guān)系。

圖15 試件JH-4激活回復(fù)曲線Fig.15 Activation-recovery curves of specimen JH-4

從加載曲線可以看出，試件沒有發(fā)生受壓屈曲，但是激活過程中溫度-應(yīng)力曲線的變化規(guī)律與參考文獻(xiàn)［13］（見圖8c）差別較大。這是由于試件的寬度較窄，同時(shí)本身厚度較薄，所以在升溫激活過程中馬氏體逆相變引發(fā)的材料收縮效應(yīng)一直低于材料在受熱狀態(tài)下的膨脹作用。因而應(yīng)力在激活升溫階段一直減小，直到200℃時(shí)應(yīng)力保持在42MPa。之后的降溫階段，在溫度低于100℃后，回復(fù)應(yīng)力才隨溫度降低快速增長(zhǎng)。

3.4 對(duì)比分析

將國(guó)外學(xué)者對(duì)Fe-SMA的研究結(jié)果匯總于表7，并與本文結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，目前Fe-SMA所具備的激活回復(fù)能力差別較大，最高可以在2%預(yù)拉伸應(yīng)變與260℃激活條件下得到406MPa 回復(fù)應(yīng)力，較差的在6%預(yù)拉伸應(yīng)變與350℃激活條件下得到160MPa 回復(fù)應(yīng)力。本文所研發(fā)Fe-SMA 的激活回復(fù)應(yīng)力相對(duì)低于文獻(xiàn)［16］和文獻(xiàn)［17］，但是也表現(xiàn)出了足夠好的激活回復(fù)能力，在2%預(yù)拉伸應(yīng)變與200℃條件下，可以達(dá)到214MPa 的激活回復(fù)應(yīng)力，可以滿足工程加固應(yīng)用需求。

表7 Fe-SMA激活回復(fù)性能對(duì)比Tab.7 Activation-recovery property comparison of Fe-SMA

4 結(jié)論

本文研發(fā)Fe-SMA 的元素成分為Fe-15Mn-4.5Si-10Cr-5Ni-0.1C-0.03Nb，對(duì)Fe-SMA錠塊進(jìn)行熱軋得到厚度5mm的Fe-SMA熱軋板，為滿足土木工程加固應(yīng)用需求同時(shí)降低加工成本，對(duì)Fe-SMA熱軋板進(jìn)一步冷軋得到厚度1.8mm 的Fe-SMA 冷軋板。本文對(duì)Fe-SMA熱軋板和冷軋板的力學(xué)性能分別進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了兩種不同處理工藝下材料的彈性模量、名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、總延伸率等關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，通過激活試驗(yàn)得到了不同“預(yù)拉伸應(yīng)變與激活溫度”條件下的回復(fù)應(yīng)力對(duì)應(yīng)表；并在此基礎(chǔ)上將本文所研發(fā)Fe-SMA的力學(xué)性能參數(shù)和回復(fù)應(yīng)力水平與國(guó)外學(xué)者對(duì)Fe-SMA的研究成果進(jìn)行了對(duì)比，主要結(jié)論如下：

（1）Fe-SMA 熱軋板的彈性模量在170GPa～200GPa 范圍，抗拉強(qiáng)度均值高達(dá)1 136MPa，總延伸率為45.0%，表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的延展性。冷軋板彈性模量與熱軋板相差不大，抗拉強(qiáng)度和總延伸率均值分別為894MPa 和35.5%，與熱軋板相比分別降低了21.31%和21.12%。

（2）Fe-SMA 在2%預(yù)拉伸應(yīng)變與150℃激活條件下的回復(fù)應(yīng)力為165MPa，在4%預(yù)拉伸應(yīng)變與200℃激活條件下的回復(fù)應(yīng)力為213MPa，4%預(yù)拉伸應(yīng)變與300℃激活條件下的回復(fù)應(yīng)力可以達(dá)到314MPa，能夠滿足目前工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用中針對(duì)鋼板裂紋修復(fù)和梁式結(jié)構(gòu)承載能力提升的需求。

（3）Fe-SMA 冷軋板是在熱軋板的基礎(chǔ)上經(jīng)過進(jìn)一步冷軋制造的，在軋制過程中組織結(jié)構(gòu)受到影響，因而冷軋板的形狀記憶性能變差，反復(fù)升溫激活過程中累積效應(yīng)降低，梯度升溫模式下回復(fù)應(yīng)力增長(zhǎng)不明顯。因此，對(duì)于需要多次激活補(bǔ)償預(yù)應(yīng)力損失的結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用，適合采用熱軋F(tuán)e-SMA板。

（4）本文所研發(fā)Fe-SMA 的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和總延伸率等基本力學(xué)性能指標(biāo)可以達(dá)到國(guó)際水平，同時(shí)表現(xiàn)出良好的激活回復(fù)能力，滿足目前工程加固應(yīng)用需求。而且本文的國(guó)產(chǎn)Fe-SMA相比進(jìn)口造價(jià)更低，更加適用于在土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。

作者貢獻(xiàn)聲明：

強(qiáng)旭紅：課題負(fù)責(zé)人，提出了研究方案，設(shè)計(jì)了論文的框架，撰寫論文終稿；

武亞鵬：試驗(yàn)實(shí)施，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果分析和解釋，撰寫論文初稿；

姜 旭：制定研究方案，指導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果的分析和解釋，提出論文修改意見和建議。