為充分發(fā)揮超彈性SMA的減振特性,奠定應用理論基礎,對SMA絲進行了力學性能試驗研究,探討了循環(huán)訓練次數(shù)、應變幅值和應變速率對SMA滯回性能的影響�；赟MA絲力學性能測試結果,在廣義粘塑性框架下,對Graesser宏觀唯象本構模型進行了拓展。新模型考慮了馬氏體正/逆相變過程中特征參量的差異以及大應變幅值下的馬氏體硬化特性,并通過引入的內變量演化方程,描述了應變幅值和應變速率對超彈性SMA滯回性能的影響;通過Matlab/Simulink模塊對超彈性SMA滯回曲線進行了模擬,并將預測結果和試驗結果進行了對比。結果表明:所建立的應變幅值-應變速率相關型SMA宏觀唯象本構模型可較為精確地描述SMA在應力誘發(fā)相變過程中的超彈性力學行為,同時可反映應變速率和應變幅值對SMA滯回性能的影響。 

【文章來源】：材料導報. 2020,34(14)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

試驗裝置

超彈性SMA典型的應力-應變關系如圖2所示。其中, σMs和σMf分別為應力誘發(fā)馬氏體相變的開始應力和結束應力, σAs和σAf分別為應力誘發(fā)馬氏體逆相變的開始應力和結束應力。加載初期,SMA變形為完全奧氏體相的彈性變形,將該段(oa段)變形模量定義為Ea。當應力值達到σMs時,記憶合金內穩(wěn)定的奧氏體在應力的作用下開始向馬氏體轉變,即試樣中開始出現(xiàn)應力誘發(fā)的馬氏體。在整個相變過程(ab段)中,記憶合金的變形模量大幅降低。隨著奧氏體不斷向馬氏體轉變,應力-應變曲線出現(xiàn)了“屈服平臺”,其中εtrs為“屈服平臺”的長度,Eam為“屈服平臺”的變形模量。當應變達到εMf時,試樣中絕大部分的奧氏體轉變?yōu)轳R氏體單晶。當繼續(xù)加載時,SMA變形原則上是由馬氏體單晶的彈性變形引起,但馬氏體相SMA加載段(bc段)變形模量明顯低于卸載段(cd段)�？紤]SMA滯回曲線在這兩階段力學性能的差異,將bc段和cd段變形模量分別定義為Es和Em。卸載初期,SMA變形為完全馬氏體相的彈性變形。當應力值降低至σAs時,SMA發(fā)生馬氏體逆相變,即記憶合金內馬氏體開始向奧氏體轉變。將整個馬氏體逆向變“屈服平臺”的變形模量定義為Ema(de段)。ef段為SMA的彈性卸載階段,由于晶粒界面和微觀缺陷處存在位錯滑移,完全卸載后會產生殘余應變εres。在一次加/卸載的循環(huán)中,應力-應變曲線將形成一個完整的遲滯環(huán)。WE和WD分別為一次加/卸載過程中總的應變能和消耗的能量。定義等效阻尼比為:ξeq=WD/(4πWE)。2.2 循環(huán)訓練次數(shù)對SMA超彈性的影響

圖3a—d為SMA絲在相同應變幅值下的循環(huán)加載試驗曲線及相關力學參數(shù)分析圖。由圖3a可知:隨著循環(huán)訓練次數(shù)的增加,滯回曲線逐漸下移,即四個相變特征應力值均在減小。不同循環(huán)訓練次數(shù)滯回曲線基本上能保持平行,因此循環(huán)訓練次數(shù)對滯回曲線各階段變形模量影響不大。經過4次循環(huán)訓練后,滯回曲線出現(xiàn)了明顯的馬氏體硬化現(xiàn)象。經過20次循環(huán)訓練后,滯回曲線基本可保持穩(wěn)定。由圖3b可知:加載時的馬氏體相變特征應力值降幅明顯大于卸載時的馬氏體逆相變特征應力值降幅,其中σMs和σMf分別降低了134.3 MPa和103.1 MPa,而σAs和σAf僅分別降低了32.1 MPa和15.1 MPa。馬氏體相變和馬氏體逆相變特征應力值分別在第20次和第5次循環(huán)訓練后趨于穩(wěn)定。由圖3c可知:隨著循環(huán)訓練次數(shù)的增加,SMA的累計殘余應變逐漸增大,但單次循環(huán)的殘余變形不斷減小。當經過18次循環(huán)訓練后,單次循環(huán)的殘余變形僅為0.001 2%,而累計殘余應變基本達到飽和值0.4%。由圖3d可知:SMA單圈循環(huán)耗能和等效阻尼比隨循環(huán)訓練次數(shù)的增加而逐漸減小。經過50次循環(huán)訓練后,單圈循環(huán)耗能降低了7.6 MJ·m-3,降幅達27.8%,等效阻尼比降低了0.35%,降幅達7.11%。在前幾次加/卸載循環(huán)訓練過程中,SMA單圈循環(huán)耗能和等效阻尼比下降較快,但20次循環(huán)后單圈循環(huán)耗能和等效阻尼比基本趨于穩(wěn)定。綜上可知,在變應變幅值和變應變速率循環(huán)加載試驗中,所使用的SMA絲(經過50次循環(huán)訓練)具有穩(wěn)定的完全超彈性。2.3 應變幅值對SMA超彈性的影響

【參考文獻】：
期刊論文
[1]自復位放大位移型SMA阻尼器優(yōu)化設計方法研究[J]. 黃宙,李宏男,付興.  工程力學. 2019(06)
[2]超彈性鎳鈦形狀記憶合金單軸相變棘輪行為的宏觀唯象本構模型[J]. 周廷,闞前華,康國政,邱博.  力學學報. 2017(03)
[3]基于遺傳算法優(yōu)化的SMABP神經網絡本構模型[J]. 余濱杉,王社良,楊濤,樊禹江.  金屬學報. 2017(02)
[4]超彈性NiTi合金循環(huán)相變誘發(fā)塑性本構模型[J]. 楊強軍,闞前華,康國政,于超,董詩玉.  功能材料. 2015(10)
[5]超彈性形狀記憶合金絲力學性能試驗[J]. 閻石,王琦,王偉.  沈陽建筑大學學報(自然科學版). 2010(03)
[6]基于塑性理論的形狀記憶合金本構模型、試驗和數(shù)值模擬[J]. 錢輝,李宏男,宋鋼兵,趙大海.  功能材料. 2007(07)
[7]超彈性形狀記憶合金絲（NiTi）力學性能的試驗研究[J]. 左曉寶,李愛群,倪立峰,陳慶福.  土木工程學報. 2004(12)

博士論文
[1]基于SMA-SPDS的小雁塔結構減震控制研究[D]. 楊濤.西安建筑科技大學 2016



本文編號：3431084