形状记忆合金及其工程应用中的力学分析new

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1、第27卷　第3期力　学　进　展Vol.27No.21997年8月25日ADVANCESINMECHANICSAug.25,19973形状记忆合金及其工程应用中的力学分析高　山　沈亚鹏　　　　　许德刚西安交通大学工程力学所,陕西西安710049　　郑州工学院,河南郑州450002摘　要　本文对一种全新功能材料———形状记忆合金进行力学分析,综述其行为特点、本构关系以及在变形控制、振动控制和损伤监控中的应用,并简要介绍它在应用中存在的问题及改进方法.关键词　形状记忆合金,力学分析,本构关系,控制1　引　言形状记忆合金(SMA)作

2、为一种新型功能性材料为人们所认识并成为一个独立学科分支可以追溯到1963年美国海军武器实验室发现NiTi合金(原子比1:1)具有良好的形状记忆效应.70年代起,世界各国学者对SMA的记忆效应机制以及和它密切相关的超弹性效应机制进行了研究,并且发现有些合金不仅具有单程形状记忆效应,还具有双程甚至全方位形状记忆效应.并进一步改善了材料疲劳寿命和记忆的稳定性,这就为SMA的应用开拓了广[1～13]阔前景.从70年代末期到80年代中期,SMA研究取得了重大突破,研究人员从实验出发对[14～35]SMA本构关系进行研究.他们采用不同模

3、型和不同方法,建立了一系列包括温度、相变变量等状态变量在内的一维和三维本构关系.在过去几年中,人们又将SMA用于当前[36～50]迅速发展的智能材料系统和结构中.智能结构具有高度自适应能力,它可以自动适应机器设备的一些特殊要求,从而可以解决一些航空航天器及其他机构设备中用传统方法难于解决的特殊问题.如果把SMA技术处理后复合于材料之中,利用它特殊的力学和物理性能,使之成为具有损伤监控、被动或主动控制结构变形、振动、噪声等功能的复合材料.它构思巧妙,工艺简单,如果开发应用到各个行业和部门,将会产生巨大的经济效益和社会效益.本文

4、将着重从SMA的机理出发,对SMA的特点、应力-应变本构关系以及在工程中的应用进行综述,并对它的存在问题及改进方法作简要的介绍.3国家自然科学基金和中国工程物理研究院院外基金资助项目.·301·©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2SMA的特点SMA是一种全新的材料,与普通金属材料相比,它具有独特的形状记忆效应和超弹性性质.[1,2]所谓形状记忆效应(SME),是指材料会记忆它在高温奥氏体态下的形状,即它在低温马氏体态下变形,加热后就会

5、恢复到原来高温奥氏体状态下的形状.SME源于热弹性马氏体相变.这种马氏体一旦形成,随着温度下降继续生长,如果温度上升它又会减少,以完全相反的过程消失,两相自由能差作为相变驱动力.两相自由能相等的温度T0称为平衡温度.只有当温度低于平衡温度时才会导致马氏体相变的产生和进行,反之只有当温度高于平衡温度T0时逆转变才会发生.图1给出马氏体量百分数同温度之间变化关系,其中有四个重要特性参数:马氏体相变结束温度Mf,马氏体相变初始温度Ms,奥氏体转变初始温度As,奥氏体转变终了温度Af,在SMA中,马氏体相变不仅由温度引起,应力也可以

6、诱发马氏体相变,称为应力诱发马氏体相变,且相变温度同所加应力呈线性单调关系.对于SMA材料,当T

7、　当TmAf,加载应力超过弹性极限,产生非弹性应变后,卸载时即使不加热,应变也会随着载荷非弹性下降,且应力为零时应变也恢复到零,呈现出迟滞循环效应(图3所示).这一特性称为相变伪弹性(也称相变超弹性).从图上可以看出,在一个加-卸载循环中,SMA可以吸收相当多的能量,能量的大小同迟滞环面积成正比.进一步研究表明,相变迟滞环的大小、形状同温度、初应变有密切关系,图3SMA相变伪弹性并且在一定加-卸载条件下,迟滞环中还会出·302·©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allr

8、ightsreserved.[22]现子环的现象.SMA这种相变伪弹性性质同普通材料加-卸载循环相比有许多优点:首先SMA伪弹性的疲劳特性很好,而其他材料循环中不可避免地要出现损伤,影响寿命;其次,SMA可恢复应变值很大(6%～8%),是通常金属材料难以实现的;最后由于奥氏体弹性模量大于马