【摘要】：NiTi形狀記憶合金由于其卓越的超彈性,形狀記憶特性和生物相容性,被廣泛應(yīng)用于航天航空和生物領(lǐng)域。超彈性NiTi合金器件常作為結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵元件,并在服役中受到循環(huán)載荷的作用。因此超彈性NiTi合金的疲勞行為是亟需關(guān)注的一個(gè)重要問題。近年來,國內(nèi)外的一些學(xué)者對于超彈性NiTi合金的疲勞行為開展了較為廣泛的實(shí)驗(yàn)觀察和疲勞失效模型研究。然而,絕大部分的實(shí)驗(yàn)均為應(yīng)變控制,并且未采用溫控裝置以保持恒溫的實(shí)驗(yàn)過程。另外,實(shí)驗(yàn)通常僅關(guān)注超彈性NiTi合金的單軸和彎曲疲勞失效行為,而對非比例多軸加載下的疲勞行為報(bào)道較少；對于疲勞加載過程中的全壽命相變棘輪的研究還不夠完善,疲勞模型的建立也存在著一定的局限性。尤其是針對應(yīng)用于人體血管支架的超彈性NiTi合金微管的疲勞實(shí)驗(yàn)和失效模型的研究均非常缺乏,這對于醫(yī)用NiTi合金器件的設(shè)計(jì)存在著極大的阻礙作用。因此,有必要首先對超彈性NiTi合金微管在單軸、扭轉(zhuǎn)和非比例多軸加載下進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)力控制疲勞實(shí)驗(yàn),對其全壽命相變棘輪和疲勞失效行為進(jìn)行深入分析。進(jìn)而結(jié)合不同應(yīng)力水平和加載路徑下疲勞斷口和殘余馬氏體形貌的觀察,建立合理的損傷演化模型和疲勞失效模型,提高對超彈性NiTi合金損傷演化和疲勞失效行為的預(yù)測能力。為了對超彈性NiTi合金微管在應(yīng)力控制循環(huán)加載下的損傷演化和疲勞失效行為進(jìn)行系統(tǒng)的研究,本論文開展了以下研究工作：1.在人體溫度310K的條件下,對于超彈性NiTi合金微管開展了系統(tǒng)的軸向、扭轉(zhuǎn)和非比例多軸應(yīng)力控制疲勞實(shí)驗(yàn)研究。歸納了不同加載方式下NiTi合金全壽命相變棘輪演化的形式,討論了應(yīng)力水平,加載路徑和峰谷值應(yīng)力保持對NiTi合金單軸和多軸全壽命相變棘輪演化的影響,并分析了馬氏體相變程度對相變棘輪演化的促進(jìn)作用。對于多軸加載,同時(shí)討論了馬氏體重定向過程對于相變棘輪演化的影響。這部分研究工作為建立NiTi合金的損傷演化模型提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2.對于超彈性NiTi合金微管在軸向、扭轉(zhuǎn)和非比例多軸加載下的疲勞失效行為進(jìn)行了分析,總結(jié)出材料的疲勞壽命隨應(yīng)力水平和相變程度的演化規(guī)律,并對比了單軸和多軸加載下疲勞失效行為的差異,討論了馬氏體重定向?qū)Σ牧掀趬勖挠绊懀煌瑫r(shí)對超彈性NiTi合金微管在不同加載方式下的疲勞斷口和殘余馬氏體形貌進(jìn)行了觀察。得到了一些關(guān)于超彈性NiTi合金微管疲勞失效行為有用的結(jié)論。這部分的研究結(jié)果對超彈性NiTi合金疲勞失效模型的建立具有重要的支持作用。3.在對于宏觀和微觀疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,建立起了一個(gè)新的針對超彈性NiTi合金材料的疲勞損傷演化模型,模型同時(shí)考慮了微裂紋萌生、微裂紋擴(kuò)展和相變過程導(dǎo)致的損傷累積,對于多軸加載的情況則考慮了馬氏體重定向的影響。利用上述模型對單軸和多軸加載下材料內(nèi)部的損傷隨循環(huán)圈數(shù)逐漸累積的過程分別進(jìn)行了模擬和預(yù)測。
[Abstract]:NiTi shape memory alloys are widely used in aerospace and biological fields because of their excellent superelasticity, shape memory properties and biocompatibility. Super-elastic NiTi alloy devices are often used as key components in structures and are subjected to cyclic loading in service. Therefore, the fatigue behavior of super-elastic NiTi alloys is an urgent concern. In recent years, some scholars at home and abroad have carried out extensive experimental observation and fatigue failure model research on the fatigue behavior of superelastic NiTi alloys. However, most of the experiments are strain-controlled, and no temperature control device is used to maintain the constant temperature. In addition, experiments usually focus on superelastic NiTi alloys. The uniaxial and bending fatigue failure behavior of the alloy is less reported than that of the alloy under non-proportional multiaxial loading; the research on the life-cycle phase change ratchet during fatigue loading is not perfect enough, and the establishment of fatigue model has certain limitations, especially for the superelastic NiTi alloy used in human vascular stents. The fatigue test and failure model of the tube are very scarce, which have a great impediment to the design of the medical NiTi alloy device. Therefore, it is necessary to carry out systematic stress-controlled fatigue test on the superelastic NiTi alloy Microtube under uniaxial, torsional and non-proportional multi-axial loading, and to carry out phase change ratcheting and fatigue test for its whole life. In order to predict the damage evolution and fatigue failure behavior of superelastic NiTi alloy, a reasonable damage evolution model and a fatigue failure model were established based on the observation of fatigue fracture surface and residual martensite morphology under different stress levels and loading paths. The damage evolution and fatigue failure behavior under force-controlled cyclic loading are systematically studied in this paper. The following research work is carried out: 1. The axial, torsional and non-proportional multiaxial stress-controlled fatigue experiments of hyperelastic NiTi alloy microtubules are carried out at 310 K body temperature. The effect of stress level, loading path and peak-trough stress retention on the evolution of uniaxial and multiaxial life-cycle phase change ratchets in NiTi alloy is discussed. The effect of martensitic transformation on the evolution of phase change ratchets is also analyzed. This work provides an experimental basis for establishing the damage evolution model of NiTi alloy. 2. The fatigue failure behavior of superelastic NiTi alloy microtubules under axial, torsional and non-proportional multiaxial loading is analyzed, and the evolution rules of fatigue life with stress level and phase transformation degree are summarized. The fatigue failure behavior under uniaxial and multiaxial loading is compared, and the effect of martensitic weight orientation on the fatigue life of the material is discussed. The fatigue fracture and residual martensite morphology of the superelastic NiTi alloy microtubules under different loading modes are observed. The results of this study have important support for the establishment of the fatigue failure model of hyperelastic NiTi alloys. 3. Based on the analysis of the macro and micro fatigue experimental results, a new fatigue damage evolution model for hyperelastic NiTi alloys is established. The micro cracks are considered in the model. Damage accumulation due to initiation, microcrack propagation and phase transition is considered for the case of multi-axial loading, and the effect of Martensite weight orientation is considered.
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG139.6

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本文編號(hào)：2178904