超弹性形状记忆合金丝力学性能试验.docx

1、超弹性形状记忆合金丝力学性能试验超弹性形状记忆合金丝力学性能试验2010年5月第26卷第3期沈阳建筑大学学报，文章编号：1671202103045806超弹性形状记忆合金丝力学性能试验阎石，王琦，王伟要：目的研究形状记忆合金循环拉伸时的基本力学性能，为基于形状记忆合金的阻尼器设计奠定基础.方法采用循环拉伸的试验方法，考虑循环次数、加载速率、峰值应变等参数对摘形状记忆合金的应力应变关系、阻尼和残余应变等性能的影响，把试验结果同Grasser理论模型进行对比，研究影响形状记忆合金超弹性性能的主要因素、影响规律和结果.结果在一定的20次循环后趋于稳定.随着循加载速率下，随着循环次数的增加，应力应变曲

2、线逐渐下移，相变应力和阻尼逐渐减小，残余应变逐渐增加并趋于稳定；加载应变越快，耗能环次数的增加，能力略有减低；随应变幅值的增加，超弹性SMA丝材料的耗能能力和等效阻尼近似线性增加，材料模量随应变幅值的增加明显降低，但应变幅值对材料的相变应力影响较小.结论经过一定次数的循环以后，形状记忆合金能表现出稳定的非线性应力应变关系和耗能能力，是制作阻尼器的较理想材料.关键词：形状记忆合金；超弹性；循环拉伸试验；滞回模型；应变率+中图分类号：文献标志码：A制作阻尼器所采用的SMA丝材进行力学试验研究.笔者采用循环拉伸的试验方法，研究SMA丝材的超弹性性质，明确主要影响因素及其影响规律，掌握其主要力学特性，

3、为利用SMA的阻尼器设计奠定基础.形状记忆合金具有形状记忆效应和超弹性两种典型的功恢复能.于超弹性能够使其经过非线性变形后，没有残余变形，并且具有较好的滞回到原始状态，是制作阻尼器的理想材料.为了使SMA制面积，作的阻尼器得到工程中的实际应用，研究人员对SMA的力学性能进行了大量的研究工作112.探讨了在温度、应力作用下的SMA相变变化规给出了超弹性NiTi组成的SMA在静力荷载律，作用下的一些基本力学特性，研究了加载频率、应变幅值及荷载循环等荷载因素对SMA丝材阻尼特性的影响，给出了材料的耗能能力与这些因素之间的关系.于影响SMA的超弹性性质的因素较多，且SMA的力学性能对合金组成及加工工艺

4、非常敏感，一些细小的成分差别及加工工艺的改变都能导致SMA材料性能的很大变化，即使是同一其性能也不相同.这些影响因素批号的合金材料，为阻尼器的设计带来一定的困难.因此有必要对1试验概况试验在沈阳建筑大学工程力学实验室完成，采用NiTi形状记忆合金丝，直径为1mm，试件长其夹具间长度为200mm.采用的加度为260mm，载装置为SANS微机控制电子万能试验机.试验采用等位移加载方式，加载终止条件位过程中，移控制，卸载终止条件力控制，此过程计算机自动控制，试验结果计算机自动采集，试验装置如图1所示.2试验方法对超弹性NiTiSMA丝的拉伸试验，主要考收稿日期：20091112基金项目：辽宁省高校重

5、点实验室支持计划；沈阳市人才资源开发专项基金项目作者简介：阎石，男，教授，博士研究生导师，主要从事智能材料与智能结构研究.第26卷阎石等：超弹性形状记忆合金丝力学性能试验459各滞回曲线基本上能保持平行.随着循环次数定，4个相变应力减小，的增加，但减小的幅度不同.图2中，马氏体相变应力降低幅度较大，而奥氏体相变应力的降低幅度小一些；在约第15次循环之后，马氏体相变应力逐渐趋于稳定；在约第10次循环之后，奥氏体相变应力趋于稳定.SMA丝的耗能能力随着循环次图2中，数的增加，有着不同程度地降低.在开始的几次循SMA丝的耗能降低幅度很大，环中，在循环次数达到约15次之后，材料的滞回耗能逐渐稳定下来，

6、从第1次循环到第30次循环，耗能量降低到，减小SMA材料了约25%.当循环次数从1增加到30，的等效阻尼比从降低到，等效阻尼比的变化较小，如图2所示.图2中，随着循环次数的增加，材料的累积残余应变增加.残余应变在加载初期增幅较大，当循环次数达到15次后，残余应变的增加幅度较小，循环30次后基本达到饱和值%，材料呈现出较明显的完全超弹性.加载速率的影响取应变幅值为6%，试验室温度为20.图31.试验机；2.数据采集计算机；丝。图1试验装置图Experimentalequipmentinstallation虑加载速率、应变幅值及循环次数等荷载工况对SMA力学性能的影响，其中，力学性能主要包括应相变

7、应力、滞回耗能及材料损耗因子、力应变关系、变形模量、残余应变等参数.具体实验步骤如下.NiTi丝的等应变幅值循环拉伸测试.在卸载循环试验，拉伸应变为室温下进行拉伸、6%，循环30次，以使材料超弹性性能稳定.NiTi丝在不同环境因素下的拉伸试验.6%循环30次后，从应变2%开始，进行加载、卸以1%的应变步长逐渐增加至6%，试验具体载，加载方法见表1.表工况123显示了不同加载速率下超弹性SMA丝的力学性能.在图3中，滞回曲线随加载速率的增加而在加载速率较小时，“屈服平台”材料的加、卸载较明显，两个平台的斜率很小，各相变临界点容易确定，随着加，“屈服平载速率的提高，相变区域斜率明显增加台”不在明显

8、，临界点被光滑圆弧代替而不易确定.图3给出了加载速率对材料相变应力的影响，随着加载速率的增加，各相变应力有着不同的变化，马氏体完成时应力Mf和奥氏体开始时应力As在加载速率范围内随着加载速率的增加，增加的幅度非常小，分别增加了14%和13%；马氏体开始时应力Ms在速率630mm/min时而在30360mm/min范围内基本不略有增加，变；奥氏体完成时应力Af在速率630mm/min时略有降低，而在30360mm/min范围内基本不变.图3显示了加载速率对耗能量的影响.当速率6mm/min增加至30mm/min，耗能量增加了9%，随速率的进一步提高，耗能量略有减但减小的幅度不大.小，试验加载方法

9、Loadingmethodofthetest加载方法min1）加载速率/中的工况1为例，说明循环次数对SMA的应力应变曲线、相变应力、滞回耗能及等效阻尼比、残余应变等主要力学性能参数的影响，试验时环境温度为20.从图2中看出，随着循环次数n的增加，20次循环后趋于稳应力应变曲线逐渐下移，460沈阳建筑大学学报第26卷图2循环次数对超弹性SMA丝力学性能的影响EffectsofcyclicnumberonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires图3加载速率对超弹性SMA丝力学性能的影响Effectsofloadingrateonthemechanicalbehavi

10、orsoftheSMAwires第26卷阎石等：超弹性形状记忆合金丝力学性能试验461在图3中，当加载速率30mm/min时，等效阻尼比随加载速率的增大而降低.加载幅值的影响图4为在不同应变幅值下超弹性SMA丝的力学性能.其中，加载速率为6mm/min，试验温度为20.在图4中，随着应变幅值的增加，滞回环的高度变化不大，但其宽度却成线性增加，正相变“屈服平台”“屈服平台”时近似重合，而逆相变时略有下移.在图4中，当应变幅值从2%增加到6%时，超弹性SAM材料卸载时的变形模量从29711MPa降低到13011MPa，它随应变幅值的增加而基本上呈线性减小.在图4和中，应变幅值对超弹性SMA丝材料的

11、耗能能力和等效阻尼比影响很大，材料的耗能量和等效阻尼比均随应变幅值的增加而基本上线性增加，当应变幅值2%增至6%时，耗mm）增至1623，能量191中还可以看出，应变幅值对材料的相变应力影响较小.Grasser模型数值模拟13采用Grasser理论模型，对NiTi丝的力学性能进行数值模拟.在上述试验结果中，把加载速率30mm/min，加载应变幅值6%的试验曲线和理论模拟曲线进行对比，如图5所示.超弹性NiTi丝的模拟参数如下：E=23000EM=18500MPa，Y=360MPa，cMPa，=，=，fT=，a=350，n=7.其中E为弹性模量；EM为马氏体时弹性模量；Y为屈服应力；是一维的应力

12、应变曲线的斜率决定的常fT、a、c为与材料有关的常数.从图中可以看数；n、出，理论模型曲线和试验曲线吻合很好.图4加载幅值对超弹性SMA丝力学性能的影响EffectsofstrainamplitudeonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires462沈阳建筑大学学报第26卷第26卷阎石等：超弹性形状记忆合金丝力学性能试验463.JournalofStructuralEngineering，andbarsJ2004，130：3846.9ThamburagiaP，tensiontorsionofaninitiallytexturedNiTishapememoryall

13、oyJ.InternationalJournalofPlasticity，2002，18：16071617.10HisakkiTobushi，YoshirouShimeno，superelasticofTiNishapememoryalloyJ.Me-chanicsofMaterials，1998，30：141150.11MauroDolce，J.InternationalJournalofMechanicalSciences，2001，43：26572677.12WolonsD，GrandhiF，characteristicsofshapememoryalloywiresJ.Journalo

14、fIntelligentMaterialSystemsandStruc-tures，1998，9：116126.13GrasserEJ，newmaterialsforseismicisolationJ.JournalofEngineeringMechanics，1991，117：25902608.ExperimentalResearchonMechanicalPerformanceforPseudo-ElasticityofShapeMemoryAlloyYANShi，WANGQi，WANGWeiAbstract：Inthispaper，thebasicmechanicalproperties

15、ofshapememoryalloysareresearchedbythemethodofcyclictension，loadingrateandpeakstrainareconsideredtoinvestigatetheireffectsonthemechanicalparametersofSMAs，resultswerecomparedwiththemodelofGrasser，lawsand，atacertainloadingrate，withthecyclenumberincreasing，thestress-straincurvesaregradualdownwardandthec

16、urves，willbegettingdecreased，theenergydissipationcapacityandequivalentdampingoftheSMAsapproximatelylinearincrease，whichareidealmaterialformakingdamper，canbehavestablestress-strainrelationshipandenergy-dissipationcapacityafteranumberofloadingcirculations.Keywords：shapememoryalloy；pseudo-elasticity；circulationtensileexperiment；hystereticmodel；loadingrate