發(fā)布時間：2018-11-02 07:06

【摘要】：形狀記憶合金因其獨特的偽彈性和形狀記憶效應(yīng),近幾十年來受到了廣泛關(guān)注。NiTiNb形狀記憶合金作為NiTi基合金的重要成員,在一定的溫度(Ms+30oC)下經(jīng)歷一定的預變形(約16%)后可獲得寬的相變滯后效應(yīng)和較好的形狀記憶效應(yīng),使該材料制作而成的管接頭等連接件能夠在常溫下運輸和儲存,從而大大方便了應(yīng)用。另一方面,隨著科技的發(fā)展,材料與結(jié)構(gòu)的使役條件日益苛刻,形狀記憶合金實際使用過程中不可避免的卷入塑性變形,而塑性變形對形狀記憶合金的逆相變應(yīng)力和滯后溫度有著顯著的影響。為了更好的利用這種材料,國內(nèi)外的學者對其熱力學特性進行了大量的研究工作。本文在系統(tǒng)地分析國內(nèi)外有關(guān)形狀記憶合金試驗和本構(gòu)行為研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合近年來有關(guān)Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金試驗及本構(gòu)模型的發(fā)展,對Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的熱—力學特性進行了較為系統(tǒng)的試驗研究,在此基礎(chǔ)上提出了一種考慮塑性變形影響和片層狀微結(jié)構(gòu)的跨層次形狀記憶合金本構(gòu)模型及Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金的細觀力學模型。取得了以下進展:1、對Ni47Ti44Nb9形狀記憶合金進行了系統(tǒng)的試驗研究:運用微觀觀測手段觀察了合金的微觀組織結(jié)構(gòu)并測量了其各組成成分;運用DSC和XRD方法測量了合金的特征相變溫度點和組織狀態(tài),在此基礎(chǔ)上進行了不同溫度條件下合金的單軸拉伸試驗和純扭轉(zhuǎn)試驗及其升溫回復特性研究;研究了Ms+30oC溫度下不同拉扭比例的比例加載、先拉后扭和先扭后拉三種典型路徑下的力學響應(yīng)及相應(yīng)的升溫回復特性的比較;利用XRD方法測量了不同加載路徑條件下材料內(nèi)部激活的不同變體。試驗結(jié)果表明,常溫下基體材料由細條狀的奧氏體組成,富Nb相顆粒彌散分布在NiTi基體中;材料在拉伸和扭轉(zhuǎn)變形下的響應(yīng)具有顯著差異,包括應(yīng)力應(yīng)變曲線及試件表面形貌,但其相變應(yīng)力都隨著環(huán)境溫度的升高而升高;雙軸路徑下材料的力學響應(yīng)及升溫回復特性強烈的依賴于加載路徑,并在應(yīng)變空間中沿最短路徑回復;單軸拉伸和純扭轉(zhuǎn)加載方式在材料內(nèi)部激活的馬氏體變體不同,而拉—扭二維加載路徑下激活的變體是二者的疊加。2、基于非經(jīng)典塑性理論建立了各相本構(gòu)模型并改進了相變控制方程:將形狀記憶合金看作馬氏體相和奧氏體相的混合物,將馬氏體相考慮成彈性-相變(重取向)-塑性三個部分組成,將奧氏體相考慮成彈性-塑性兩個部分,基于非經(jīng)典塑性理論建立了馬氏體相和奧氏體相本構(gòu)模型�？紤]到塑性變形對材料逆相變應(yīng)力和相變滯后溫度的影響,對Tanaka相變控制方程進行了改進。3、建立了考慮塑性變形和材料微結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金本構(gòu)模型:基于試驗觀察到的形狀記憶合金片層狀微結(jié)構(gòu),將其考慮成馬氏體薄片和奧氏體薄片相互疊合而成的代表性體積單元,馬氏體片和奧氏體片的本構(gòu)關(guān)系采用前一部分建立的本構(gòu)方程,通過內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的協(xié)調(diào)關(guān)系建立了代表性體積單元的本構(gòu)關(guān)系。將形狀記憶合金多晶考慮為沿正二十面體面法向進行取向平均后的代表性單元組集而成,利用Hill自洽方法,得到了考慮塑性影響和材料微結(jié)構(gòu)形式的跨層次形狀記憶合金本構(gòu)模型。利用該模型對形狀記憶合金的鐵彈性和偽彈性進行了模擬,計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好;對不同應(yīng)變幅值塑性變形對逆相變應(yīng)力進行了數(shù)值模擬,與試驗結(jié)果的比較表明,模型能夠很好地描述塑性變形的影響。4、初步發(fā)展了NiTiNb形狀記憶合金細觀本構(gòu)模型:以考慮塑性的馬氏體相和奧氏體相本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ),首先利用voigt假設(shè)建立了形狀記憶合金兩相本構(gòu)模型,以此作為NiTi基體相的本構(gòu)模型,同時將Nb相考慮成彌散分布在基體上的球形夾雜,利用Mori-Tanaka方法,初步發(fā)展了NiTiNb形狀記憶合金細觀本構(gòu)模型。利用該模型研究了不同體積分數(shù)彈性夾雜、彈塑性夾雜對材料整體和基體的影響,結(jié)果顯示模型能夠很好的描述其響應(yīng)規(guī)律;最后對NiTiNb形狀記憶合金在不同溫度下純扭轉(zhuǎn)和單軸拉伸的響應(yīng),不同拉扭比例的比例加載、先拉后扭和先扭后拉三種不同路徑下材料響應(yīng)進行了模擬,通過數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較,表明發(fā)展的模型能夠較好的描述試驗現(xiàn)象。
[Abstract]:Shape memory alloys have been widely paid attention in recent decades due to its unique pseudoelasticity and shape memory effect. The NiTiNb shape memory alloy is an important member of the NiTi-based alloy, and undergoes a certain pre-deformation (about 16%) at a certain temperature (Ms + 30oC), so that a wide phase change hysteresis effect and a better shape memory effect can be obtained, and the connecting piece such as a pipe joint made of the material can be transported and stored at normal temperature so as to greatly facilitate the application. On the other hand, with the development of science and technology, the service conditions of materials and structures are increasingly harsh, and the deformation of the shape memory alloy is inevitably involved in the actual use of shape memory alloy, and the plastic deformation has a significant influence on the inverse phase change stress and the hysteresis temperature of the shape memory alloy. In order to make better use of this material, scholars at home and abroad have carried out a lot of research work on their thermodynamic characteristics. Based on the systematic analysis of the present research situation of shape memory alloy test and the structure behavior of Ni47Ti44Nb9 shape memory alloy in recent years, the mechanical properties of Ni47Ti44Nb9 shape memory alloy have been studied systematically. Based on this, a micro-mechanical model of shape memory alloy and Ni47Ti44Nb9 shape memory alloy considering plastic deformation effect and lamellar microstructure are proposed. The following progress has been made: 1. The experimental study of Ni47Ti44Nb9 shape memory alloy was carried out: the microstructure of the alloy was observed by means of micro-observation and its components were measured. The characteristic phase transformation temperature and tissue state of the alloy were measured by DSC and XRD. On this basis, the uniaxial tensile test and the pure torsion test of the alloy under different temperature conditions and the research on the temperature-raising response characteristics of the alloy were carried out, and the proportional loading of different pull-out ratios under the temperature of Ms + 30oC was studied. The mechanical response of three typical paths and the comparison of the corresponding temperature rise response characteristics were carried out firstly, and the different variants of the internal activation of materials under different loading paths were measured by XRD. The experimental results show that the matrix material is composed of fine strip-shaped austenite, and the Nb-rich phase particles are dispersed in the matrix. The response of the material under tensile and torsional deformation has a significant difference, including the stress-strain curve and the surface topography of the test piece. However, the phase change stress increases with the increase of the ambient temperature; the mechanical response and the temperature rise response of the material under the biaxial path strongly depend on the loading path and recover along the shortest path in the strain space; The single-axis tension and pure torsion loading are different from the martensitic variants activated in the interior of the material, while the variants activated under the two-dimensional loading path of the pull-and-twist two-dimensional loading path are the superposition of the two. the shape memory alloy is regarded as a mixture of a martensite phase and an austenite phase, the martensite phase is taken into consideration as an elastic-phase change (re-orientation)-plastic three parts, the austenite phase is considered to be two parts of an elastic-plastic phase, The structure model of martensite phase and austenite phase was established based on the non-classical plasticity theory. Considering the effect of plastic deformation on the material inverse phase change stress and the phase change lag temperature, the Tanaka phase change control equation was improved. 3. The shape memory alloy model considering plastic deformation and material microstructure was established: the layered microstructure of shape memory alloy sheet was observed based on the experiment. Considering the structure equation set up by the former part, the structure relation of the representative volume unit is established by the coordination relation of internal stress and strain. In this paper, the shape memory alloy polycrystal is considered as a representative cell group set which is oriented with average orientation along the positive twenty-face decent method, and a cross-level shape memory alloy model is obtained considering plastic influence and material microstructure form by using Hill self-consistent method. The elasticity and pseudoelasticity of shape memory alloy were simulated by using the model, and the calculated results agree well with the experimental results. The influence of plastic deformation can be well described. The microstructure model of NiTiNb shape memory alloy is preliminarily developed. Based on the relationship between the martensite phase and austenite phase, the structure model of shape memory alloy is firstly established by using void hypothesis. The microstructure model of NiTiNb shape memory alloy was initially developed by using the method of Mori-Tanaka. The effects of different volume fraction elastic inclusions and elastic-plastic inclusion on the whole and matrix of materials are studied. The results show that the model can describe its response law very well, and finally, the pure torsion and uniaxial tension response of NiTiNb shape memory alloy under different temperatures are studied. In this paper, the material response of three different paths is simulated by the proportional loading of different pull-and-twist ratio, the first pull-back and the first twist, and the experimental results show that the development model can describe the experimental phenomenon better by comparing the numerical results and the experimental results.
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG139.6

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本文編號：2305303