超弹性形状记忆合金丝力学性能试验.docx

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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：

1671－202103－0458－06　　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，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［1－12］.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：

2009－11－12　　基金项目：

辽宁省高校重点实验室支持计划；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，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3　　1.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，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σMf和奥氏体开始时应力σAs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σMs在速率6～30mm/min时　　而在30～360mm/min范围内基本不略有增加，　　变；奥氏体完成时应力σAf在速率6～30mm/min　　时略有降低，而在30～360mm/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　　Loadingmethodofthetest　　加载方法　　min－1）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　　EffectsofloadingrateonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires　　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=23000　　EM=18500MPa，Y=360MPa，cMPa，α=，=，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；α是一维的应力应变σ－ε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　　EffectsofstrainamplitudeonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires　　462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，andbars［J］　　2004，130：

38－46.　　［9］ThamburagiaP，　　tensiontorsionofaninitiallytexturedNiTishapememoryalloy［J］.InternationalJournalofPlasticity，2002，18：

1607－1617.　　［10］HisakkiTobushi，YoshirouShimeno，　　superelasticofTiNishapememoryalloy［J］.Me-chanicsofMaterials，1998，30：

141－150.　　［11］MauroDolce，　　［J］.InternationalJournalofMechanicalSciences，　　2001，43：

2657－2677.　　［12］WolonsD，GrandhiF，　　characteristicsofshapememoryalloywires［J］.JournalofIntelligentMaterialSystemsandStruc-tures，1998，9：

116－126.　　［13］GrasserEJ，　　newmaterialsforseismicisolation［J］.JournalofEngineeringMechanics，1991，117：

2590－2608.　　ExperimentalResearchonMechanicalPerformancefor　　Pseudo-ElasticityofShapeMemoryAlloy　　YANShi，WANGQi，WANGWei　　Abstract：

Inthispaper，thebasicmechanicalpropertiesofshapememoryalloysareresearchedbythemethodofcyclictension，，loadingrateandpeakstrainareconsideredtoinvestigatetheireffectsonthemechanicalparametersofSMAs　　，　　resultswerecomparedwiththemodelofGrasser′，lawsand，atacertain　　loadingrate，withthecyclenumberincreasing，thestress-straincurvesaregradualdownwardandthecurves　　，　　willbegettingdecreased，，，theenergydissipationcapacityandequivalentdampingoftheSMAsapproximatelylinearincrease，，whichareidealmaterialformakingdamper，canbehavestablestress-strainrelationshipandenergy-dissipationcapacityafteranumberofloadingcirculations.　　Keywords：

shapememoryalloy；pseudo-elasticity；circulationtensileexperiment；hystereticmodel；loading　　rate