形狀記憶合金應力與應變實驗研究＊

王 建,聶建紅,楊學成

(二炮青州士官學校503教研室,山東青州 262500)

形狀記憶合金應力與應變實驗研究＊

王 建,聶建紅,楊學成

(二炮青州士官學校503教研室,山東青州 262500)

Ni-Ti形狀記憶合金由于有特殊的形狀記憶效應和良好的機械性能成為受到很大關注的功能材料。盡管Ti-Ni合金已經被研究了很多年,至今,仍然有很多有趣的現象并沒有得到很好的認識,尤其Ni-Ti合金在不同溫度下的應力應變曲線的因素的研究上還有很多沒有解釋清楚的問題。為此筆者在文中詳細介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的應力與應變關系實驗的準備,實驗過程,以及實驗結果的獲取。并對實驗結果進行了分析總結,得出Ni-Ti形狀記憶合金在不同應力及應變速度下的特性數據,為形狀記憶合金的應用提供了必要的參考。

Ni-Ti形狀記憶合金;應力與應變;形狀記憶合金

1 特性參數擬定

為研究形狀記憶合金在不同應變速率下的行為特性,需要尋找其特性參數的變化規律。本文采用一種新的方法來確定應變速率對材料相變行為特性的影響。主要思想是選擇表征形狀記憶合金相變過程的特性參數(如彈性模量、相變臨界應力、相變曲線擬合直線的斜率等)為對象,比較不同應變速率下這些特性參數的變化。

形狀記憶合金在溫度TMf時的應力應變曲線如1.1所示,它們分別表現出典型的形狀記憶效應和超彈性效應,圖中的字母表示形狀記憶合金特性參數,它們與相變過程密切相關,虛線為相變曲線的線性近似,數字序號表示加載和卸載過程中的各個重要過程。各參數的意義如下。

溫度T

TM2DF),終了臨界應力(σfTM2DF);可恢復殘余應變(εrem);材料相變硬化的特性系數(kTM2DM);溫度T>Mf時:奧氏體的彈性模量(EA);奧氏體向應力誘發馬氏體相變的起始臨界應力(σsA2DM);相變終了臨界應力(σfA2DM);奧氏體向應力誘發馬氏體相變的硬化特性系數(kA2DM);應力誘發馬氏體的彈性模量(EM);應力誘發馬氏體向奧氏體逆相變的起始臨界應力(σsDM2A);應力誘發馬氏體才開始向奧氏體進行逆相變,繼續降低到(σfDM2A);逆相變起始點和終了點構成的直線B3B4的斜率(kDM2A)表達了卸載過程逆相變的硬化系數[1]。

圖1 形狀記憶合金應力應變曲線及特性參數定義

2 實驗部分

2.1 試驗設備與實驗樣品

為測量形狀記憶合金絲在不同應變速率下的行為特性,實驗選擇島津材料試驗機(DCS-5000)。設定的應變速率分別為0.0005,0.001,0.005,0.01,0. 05,0.1s-1。

實驗采用的記憶合金試樣為50.8at%-N i-Ti絲,由上海鋼研所提供,直徑0.6mm,長度180mm,有效長度120mm。記憶效應絲和超彈性絲各為10個,記憶效應絲的相變溫度分別為馬氏體相變終了溫度Mf=29℃,馬氏體相變起始溫度Ms=40℃,奧氏體相變起始溫度As=50℃,奧氏體相變終了溫度Af=61℃,熱處理條件為:500℃,保溫1小時,然后爐冷至室溫;超彈性絲的相變溫度點Af=5℃,熱處理條件為:冷變形加工硬化后,通過450℃,30分鐘時效處理。根據N i-Ti絲的相變溫度,選擇T1= 25℃,T2=65℃,其中T1為室溫。

2.2 實驗方法

實驗中為了避免重復加載對絲性能的累積影響、不同試件初始性能的差異。將所有的N iTi絲試件都重復循環加載5次,然后卸載,將溫度升高到Af以上,然后再冷卻到室溫T(T

實驗的步驟主要有:

(1)把絲與兩個三爪夾頭連接固定,再讓三爪夾頭與試驗機的上、下拉桿連接,在絲不受外力作用時,對裝夾好的絲進行性能初始化,即以5℃/min把溫度升高到Af點以上,再冷卻到Mf以下,消除以前加載歷程的影響。然后將系統力復位歸零,鎖緊夾頭和拉桿;

(2)設定數據采集系統相關參數,同時設定好試驗機控制箱的拉伸位移速率,該速率可由設定的速率換算得到,即V=ε×εmax×l0;

(3)以設定的應變速率加載,到達最大應變時再卸載;

(4)卸載后,保存數據。

(5)根據應變速率,重新設定拉伸速率,重復進行(1-4)的過程。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗結果

3.1.1 T

在T1=25℃(Mf點以下),以不同應變速率(0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s),拉伸最大應變為5%,記憶效應絲的單向拉伸卸載實驗的結果匯總如圖2～4所示。

圖3 不同應變速率下對應的特性參數比較

表1 T

圖4 不同應變速率比值的對數坐標下,特性參數相對比值的比較圖

從圖1.2,1.3,1.4可以得到:應變速率為0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,它們對應的應力應變曲線差異很小,而0.05/s,0.1/s所對應的曲線在相變過程階段差異較為明顯,具體表現為:應變速率增大,起始終了臨界應力增大,而且終了臨界應力增大更為顯著,相變的硬化程度增大,相變過程曲線有升高上揚的趨勢,孿晶馬氏體和應力誘發馬氏體的楊氏模量變化很小。根據前面特性參數的定義,分別從每個應變速率下的應力與應變曲線圖中求取各參數值平均后如錯誤!未找到引用源。所示。

表2 T>Af,不同應變速率下的超彈性行為特性參數

3.1.2 條件下實驗結果

超彈性絲在T2=65℃,不同應變速率(0.0005 /s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s)下的單向拉伸卸載實驗曲線如錯誤!未找到引用源。3所示,最大應變為5%,相應的特性參數如表2所示。

從圖5～7可以得到:應變速率為0.0005, 0.001,0.005,0.01 s-1,它們對應的應力應變曲線差異較小,它們與0.05 s-1,0.1 s-1所對應的曲線在相變過程階段差異較明顯,具體表現為:應變速率增大,起始與終了臨界應力略有增大,相變系數的數值幾乎不變,相變過程曲線斜率基本相同,奧氏體的楊氏模量在加載和卸載過程因滯后而略有差異。

3.2 結果分析

根據實驗結果,可以得到:

(1)隨應變速率增大,兩種特性行為中的各純相的楊氏模量保持不變;

(2)拉伸過程相變起始和終了臨界應力會增大,卸載過程相變起始和終了臨界應力會減小,滯后環面積會增大;

(3)相變過程相變硬化系數在形狀記憶效應行為中會增大,而在超彈性行為中基本不變。

原因分析如下:高應變速率下,加載相變過程應力出現增大,而卸載相變過程應力出現減小的現象,可以從應變速率變化,相變潛熱和散熱等方面來解釋。由傳熱學理論可知:準靜態條件下的拉伸卸載過程,由于小應變速率(10-3s-1以下),相變過程緩慢,拉伸過程試樣產生的熱量能夠與周圍環境及時進行交換,故可以近似認為是等溫變化過程;而高應變速率(102s-1以上)下的拉伸卸載過程則可以認為是絕熱過程。從小應變速率開始,隨應變速率增大,相變產生的熱量與環境交換熱量的時間逐漸縮短,應變速率越大,相變過程越接近絕熱過程[2-3]。根據形狀記憶合金使用示差掃描量熱儀(DSC)測量相變溫度點的曲線,可以知道:馬氏體向奧氏體相變過程需要吸熱,而逆過程需要放熱。導致相變應力增大的原因主要是溫度變化和內部晶格的切變、孿晶兩個因素。在拉伸卸載的相變過程中,溫度的變化可由下式計算:

其中,b-轉換系數,ρ-密度,CP-定壓熱容量,△H-相變潛熱,可由DSC曲線來估算。因此,加載過程材料內部溫度會升高,溫度升高會引起相變應力相應的增大;卸載過程溫度會降低,溫度降低導致應力相應減小。另外,形狀記憶合金在相變過程中,因晶格變體切變而引入孿晶和少量的位錯,它們會阻止M相變和去孿晶的進行,應變速率越大,克服這些障礙所需要的能量越多,這個因素也會導致加載過程應力增大,卸載過程應力減小[4]。對一個試樣在不同應變速率下拉伸卸載試驗,相當于多次循環加載,加載時應力增大,卸載應力減小是否因為循環加載的原因所致?在同一應變速率條件下,隨循環次數增加,相變階段的應力在加載時又減小,卸載時基本不變的特點,可以知道:高應變速率下導致的加載應力增大,卸載應力減小的規律不會是加載循環次數增加而引起的。

4 結論

由于在不同應變速率下,NI-TI形狀記憶合金的特性參數并不相同,因此在實際的應用過程中,我們必須考慮其應變速率的問題,并根據不同應變速率的數值進行相應的修正,才能保證實際控制的精確性。

REFERENCES

[1] 楊杰,吳月華.形狀記憶合金及其應用.中國科學技術大學出版社,1993.5.

[2] 郭衛紅,汪濟奎.現代功能材料及其應用.化學工業出版社,2002.8.

[3] 李寧,文玉華等.Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C形狀記憶合金回復應力的研究.功能材料,2008,29(6).

[4] 趙連城,蔡偉,鄭玉峰.合金的形狀記憶效應與超彈性.國防工業出版社,2007.1.

Research of Stress and Stra in Exper iment on ShapeM emory Alloy

WANG Jian,N IE Jian-hong,YANG Xue-cheng
(Teaching&Research Office of 503,The Sencond Artillery PettyOfficer School,Shandong,Qingzhou,262500,China)

Ni-Ti shape memory alloy is an attractive functionalmaterialwhich exhibits unique shape memory effect and good mechanical properties.It has been studied formany years,but there are stillmany interesting problems to be clarified,especially the stress -strain curves on surface oxidation and on cycling.This paper describes the Ni-Ti shape memory alloy stress and strain test preparation,test process and resultsof the acquisition.Experimental results are analyzed and summarized,obtainedNi-Ti shapememory alloys under different stress and strain rate characteristicsof data for the application of shapememory alloy to provide the necessary information.

Ni-Ti shape memory alloy;stress and strain;shape memory alloy

TD322.4

:A

:1009-3842(2010)03-0052-04

2010-05-17

中國科學院國防科研創新基金

王建(1982-),男,安徽省,靈璧縣人,工學碩士,二炮士官學校教員,主要從事智能機械與機器人,汽車維修電工專業的研究與教學工作,E-mail:usrc 009@hotmail.com