考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型.pdf

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1、《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS理物兰一百■●l考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型竺周博，赵士成②①中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，青岛266555②哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨150001联系人，E．mail：zhoubo_heu@163．com收稿日期：2013—02—23；接受日期：2013—07．18；网络出版日期：2013—07．22中央高校科研基本业务费重大项目培育计划、教育部留学回国人员科研启动基金(第37批)、中国博士后科学基金(编号：20080430933)~助项一目一摘要近年来在形状记忆合金(ShapeMemor

2、yAlloy，SMA)中发现的由于不完全马氏体逆相变引起的温度记忆效应，在智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值，建立克服现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应这一局限性的SMA本构模型具有理论和工程实际意义．本文在前期研究的基础上，基于作者提出的形状记忆因子的概念，综合运用热力学、连续介质力学和马氏体相变学的相关理论，建立了描述SMA的形状记忆因子、应力、温度问关系的形状记忆方程和描述SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．由形状记忆方程和力学本构方程构成的SMA本构模型，克服了现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应的局限性．数值结果表明，该SMA本构模型

3、能有效描述经历不完全马氏体逆相变的SMA的热力学行为，可为SMA温度记忆效应的应用研究提供理论基础．关键词形状记忆合金，温度记忆效应，形状记忆方程，力学本构方程PACS：46．05．+b．64．70．kbdoi：10．1360／132011—4951引言括描述SMA的马氏体体积分数(形状记忆因子)、温度、应力间关系的相变方程(形状记忆方程)和描述形状记忆合金(SMA)不仅具有普通金属所没有SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．的形状记忆效应和超弹性，而且具有良好的耐腐蚀1986年，Tanaka[11利用描述铁系合金马氏体转变行为性、理化性、生物相容性、高阻尼性等优点，

4、因此在的一维形核动力方程，建立了描述SMA相变行为的生物医用材料、智能材料与结构、土木工程、航空航指数型相变方程，根据热力学基本定理，建立了一维天等领域有重要的应用价值．多年来随着对SMA开增量型SMA力学本构方程．1990年，Liang等人L2在发与应用研究的不断深入，各国学者在SMA本构模上述工作的基础上，构造了余弦型相变方程，假设型方面的研究也取得了重要进展．SMA本构模型包SMA的弹性模量为常数，推导了一维全量型力学本中国科学：物理学力学天文学2013年第43卷第9期构方程．1993年，Brinson[3J将SMA马氏体体积分数分行．2004年，郑雁军等人[12,13

5、]研究了钛镍SMA的温解成温度诱发的和应力诱发的两部分，在余弦型相度记忆效应，结果表明可通过变形约束手段拓宽钛变方程的基础上构造了Brinson相变方程，建立一个镍SMA的相变温度区间，进而使其温度记忆效应在一维SMA力学本构方程；Sun等人_4】基于指数型相变更大的温度范围内发挥作用．2005年，Wang等人ll方程、细观力学、不可逆热力学和对微结构物理机制研究了钛镍SMA和钛镍铜SMA的温度记忆效应，结的分析，较好地解释了SMA在任意非比例加载下的果表明SMA的温度记忆效应有很好的可重复性，并形状记忆效应和超弹性的宏观现象和微观机理，建可以记忆每次不完全马氏体逆相变的不同

6、停止温度；立了一个三维SMA力学本构方程．1994年，Boyd等何向明等人『l5]研究了钛镍铜SMA的温度记忆效应，人l5利用指数型相变方程，将SMA总应变分解为弹指出SMA不完全马氏体逆相变过程中的弹性能再分性应变、相变应变和热胀应变三部分，建立了一个三布是可能的温度记忆效应机制．2008年，余华军等维SMA力学本构方程．2001年，Peng等人lo利用指数人I]研究了钛镍SMA薄膜和钛镍铜SMA薄膜的温型相变方程，根据SMA中相组成及其在不同温度和度记忆效应，指出温度记忆效应是SMA的固有现应力水平下的动态变化，建立了一个三维SMA力学象、而且与马氏体变体问的弹性能及奥氏

7、体和马氏体本构方程．2002年，Brocca等人利用Brinson相变方之间的共格应变密切相关．SMA的温度记忆效应在程，基于微平面理论建立了一个能描述SMA从孪晶智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值．前述马氏体向非孪晶马氏体转变过程的三维SMA力学本现存SMA本构模型都不能考虑SMA的温度记忆效构方程．2003年，郭扬波等人喁在三线性相变模型的应，这不利于SMA的温度记忆效应的工程实际应用，基础上，考虑应变率对相变阻力的影响，建立了一个需要建立可考虑温度记忆效应的SMA本构模型，克一维率相关SMA相