不同直徑NiTi形狀記憶合金棒材的超彈性試驗研究

王 偉 邵紅亮

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2.同濟大學建筑工程系，上海2000092）

不同直徑NiTi形狀記憶合金棒材的超彈性試驗研究

王 偉1，2邵紅亮2，*

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2.同濟大學建筑工程系，上海2000092）

處于奧氏體相態的形狀記憶合金在經歷較大變形后仍然可恢復原狀，這一特性稱為超彈性。立足于工程應用，對直徑分別為6 mm、12 mm和19 mm的三種NiTi形狀記憶合金棒材在常溫下的力學性能進行試驗研究。主要考察其相變應力、殘余應變和耗能能力等力學特征隨應變幅值與循環次數等參數的變化規律。研究結果表明，在相同加載速率下，國產19 mm直徑棒材的最大可恢復彈性應變約為2.5%，與國外大直徑形狀記憶合金棒材的超彈性水平尚存在差距；12 mm直徑棒材的最大可恢復彈性應變約為5%，可以應用于鋼結構節點，以獲得自回復性能。應變幅值和循環次數對NiTi形狀記憶合金棒材的力學性能有重要影響，在工程應用時應該予以考慮。

形狀記憶合金，超彈性，力學性能，鋼結構，自回復

1 引 言

形狀記憶合金（shapememory alloy，SMA）是一種新型的智能材料。自1963年美國海軍武器實驗室發現NiTi形狀記憶合金具有良好的形狀記憶效應（shapememory effect，SME）之后，世界各國學者對SME的作用機理以及與之密切相關的超彈性效應（Superelasticity Effect，SE）的作用機理進行了廣泛研究，提出了一系列與溫度、相變應力有關的一維和三維本構模型。形狀記憶合金不僅應用于航天、醫療等領域中，還廣泛應用于具有高度自適應能力的智能結構中［1，2］，從而為土木工程領域的發展提出了新的方向。

形狀記憶合金一般具有兩種晶體狀態：奧氏體狀態（Austenite Phase）和馬氏體狀態（Martensite Phase），其中奧氏體狀態又叫做母相（Parent Phase）。奧氏體向馬氏體狀態轉變被稱之為正相變，反之則為逆相變。當溫度高于馬氏體并達到奧氏體相變的完成溫度Af時，產生的應力誘發馬氏體會隨著應力的消失而消失，即使不加熱也會發生馬氏體逆相變而恢復到原來的母相狀態，應力作用下產生的宏觀變形也將隨著逆相變的進行而完全消失，這種特性即是形狀記憶合金的超彈性。超彈性是形狀記憶合金最具工程應用價值的力學特性之一。Deroches等［3］對一25.4 mm直徑的NiTi棒材進行循環拉伸試驗的結果表明，大直徑SMA棒材的可恢復應變可達到6%，并且具有較好的能量存儲和傳輸能力。形狀記憶合金與普通鋼材（Q235）的力學性能對比如表1所示。

Miyazaki［4］最早對NiTi形狀記憶合金超彈性行為進行了系統的試驗研究，討論不同溫度下，拉伸-卸載和循環加載下的NiTi形狀記憶合金的應力—應變關系。Orgeas等［5］研究了應力誘發馬氏體相變的熱力學行為，發現形狀記憶合金表現出明顯的拉壓非對稱性。Liu等［6］對拉壓非對稱性現象進行了深入的研究，揭示該效應的微觀機理。Nemat-Nasser等［7］研究發現超彈性與加載應變率密切相關，且其影響隨應變率的增加而增加。然而，Liu等［8］的研究表明，隨著應變率的持續升高，在一定范圍內，超彈性對應變率的敏感性將會消失。

形狀記憶合金材料一次加、卸載循環對應的典型應力—應變曲線如圖1所示。其中，σMs、σMf、σAs和σAf分別為馬氏體相變開始時應力、馬氏體相變結束時應力、奧氏體相變開始時應力和奧氏體相變結束時應力。εmax、εres為一次循環加載的應變幅值和殘余應變。ΔW為滯回曲線所包圍的面積，即超彈性SMA在一個加卸載循環內的能量耗散值。W為曲線OAB與應變軸所包圍的面積，即超彈性SMA在一個加卸載循環內的總應變能定義為等效阻尼比。

圖1 超彈性SMA力學性能指標Fig.1 Mechanical parameters of superelastic SMA

目前國內針對形狀記憶合金超彈性力學性能的研究，主要集中于絲材［9］、彈簧以及小尺寸的棒材［10］，而對國產大直徑棒材的超彈性研究較少。本試驗將研究6 mm、12 mm和19 mm三種直徑的國產形狀記憶合金棒材在室溫條件下的力學行為，主要考察其相變應力、殘余應變和耗能能力等力學特征參數隨應變幅值和循環次數等參數的變化規律，為工程實際應用提供參考。

2 試驗設計

2.1 試件設計

本試驗采用西安賽特金屬材料開發有限公司生產的直徑分別為6 mm、12 mm和19 mm的Ti－55.82at%Ni超彈性型形狀記憶合金棒材，其標定臨界相變溫度Af＝－5℃。其中，直徑為19 mm的棒材設計成兩種試件：一種為熱軋加工態，一種為退火態；直徑為6 mm和12 mm棒材均設計為退火態。退火態棒材采用500℃～550℃加工，為了獲得更好的超彈性性能，試件加工完成后繼續在400℃環境中保溫30 min，之后再進一步水淬。材性試件按圖1和表2所示尺寸加工，加工完成的材性試件實物見圖3。

圖2 材性試件加工圖Fig.2 Dimensions ofmaterial specimens

圖3 材性試件實物圖Fig.3 Material specimens

表2 材性試件加工參數Table 2 Parameters ofmaterial specimens

2.2 試驗裝置

試驗裝置為新三思材料檢測有限公司生產的SHT4系列微機控制電液伺服萬能試驗機（圖4），采用量程為2 000 kN的力傳感器測量荷載，采用標距為50 mm的MTS引伸計來測量位移，試驗數據通過PowerTest V3.4試驗軟件自動采集。試驗前，將六根編號為SA-19、CL-19、SA-12、CL-12、SA -6和CL-6的NiTi形狀記憶合金棒材試件在冷水和沸水中各放置5 min，以相同方式進行5次冷熱循環處理以穩定SMA棒材的力學性能。最終將試件從沸水中取出后在室溫下自然冷卻。

圖4 試驗裝置Fig.4 Experimental setup

2.3 加載制度

（1）對編號為SA-19（加工態）的試件進行應變幅值遞增的加卸載循環拉伸試驗，加載和卸載均由引伸計應變控制。試件SA-19（加工態）的加載制度為以應變幅值1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%和11%各循環一圈。

（2）對編號為SA-19（退火態）、SA-12和SA-6的試件進行應變幅值遞增的加卸載循環拉伸試驗，加載和卸載均由引伸計應變控制。試件SA-19（退火態）的加載制度為以應變幅值1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%各循環一圈；試件SA-12和SA-6的加載制度為以應變幅值1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%和6%各循環一圈。

（3）對編號為CL-19、CL-12和CL-6的試件分別進行多圈循環拉伸試驗，加載和卸載均由引伸計應變控制，加載速率為7×10-5／s，卸載速率為1.4 ×10－4／s。試件CL-19的加載制度為以應變幅值2.5%循環20圈；試件CL-12和CL-6的加載制度為以應變幅值5%循環20圈。

3 試驗結果與分析

3.1 熱處理工藝對NiTi形狀記憶合金棒材超彈性的影響

圖5繪制了熱處理工藝對形狀記憶合金的超彈性性能的影響曲線。比較圖5（a）和圖5（b）可以看出，同為直徑19 mm的棒材，加工態形狀記憶合金的可恢復彈性應變為1.5%，而退火態形狀記憶合金的可恢復彈性應變為2.5%。此外，退火態形狀記憶合金在拉伸到4.5%應變時的殘余應變約為1.8%，而加工態形狀記憶合金在拉伸到同樣應變幅值時的殘余應變約為2.8%，即后者殘余應變較前者更大。由此可見，熱處理工藝可以改善形狀記憶合金的超彈性性能。

圖5 加工態和退火態SA-19試件的應力—應變關系Fig.5 Effect of annealing treatment on stress-strain curve of SA-19 bar

從圖5（a）可以看出，棒材在加載到10%應變幅值之后繼續加載，當加載應變達到9.5%時棒材發生脆性斷裂，斷口平齊，無明顯頸縮現象（圖6）。

圖6 加工態形狀記憶合金斷口形狀Fig.6 Fracture section of the SA-19 bar

3.2 應變幅值對NiTi形狀記憶合金棒材超彈性的影響

圖7繪制了應變幅值遞增循環拉伸時NiTi形狀記憶合金棒材的應力-應變關系曲線。可以看出，加載初期NiTi形狀記憶合金的正相變平臺相對穩定，但是逆相變平臺隨著應變幅值的增大而不斷降低，且下降幅度較正相變平臺要大的多。SA-19試件在加載的應變幅值超過3%之后，正向變平臺已經開始顯著降低；而SA-12和SA-6試件在應變幅值超過5%之后，正相變平臺才開始降低。

圖7 應變幅值遞增循環拉伸時SMA棒材的應力—應變關系Fig.7 Effect of strain amplitude on stress-strain curves of SMA bars

圖8 （a）繪制了應變幅值遞增循環拉伸時馬氏體相變開始時應力σMs的變化曲線。可以看出，隨著應變幅值的增加，σMs總體呈下降趨勢。如圖8（b）所示，超彈性SMA的殘余應變εres在循環拉伸荷載作用下將不斷積累。對于試件SA-19，當εmax小于2.5%時，殘余應變較小，殘余應變累積的速率也較小；當εmax大于2.5%時，累積速率開始增大，殘余變形也更大。這是因為當應變幅值足夠大時，應力誘發馬氏體相變結束后，材料已經完全處于馬氏體狀態，繼續加載時會發生不可逆的馬氏體彈塑性變形，這部分變形即使在卸載時仍然無法恢復。由此可見，應變幅值越大，NiTi形狀記憶合金棒材的殘余應變也越大。

如圖8（c）所示，SA-19、SA-12和SA-6試件的等效阻尼比ξeq隨著應變幅值的增大而增大，當加載的應變幅值超過3%之后，ξeq增加的速度開始變慢。這主要是因為馬氏體逆相變平臺的退化造成的。

圖8 應變幅值對SMA超彈性的影響Fig.8 Effect of strain amplitude on themechanical properties of SMA bar

3.3 循環次數對NiTi形狀記憶合金棒材超彈性的影響

圖9繪制了應變等幅循環拉伸時NiTi形狀記憶合金棒材的應力-應變關系。可以看出，隨著循環次數的增加，NiTi形狀記憶合金棒材的正逆相變平臺都將不斷降低；不僅如此，正逆相變平臺隨著循環次數的增加而發生退化，且逆相變平臺的退化更加明顯。試件CL-6由于長細比過大，在卸載過程中發生了屈曲現象。

如圖10（a）所示，試件CL-19的殘余應變隨著循環次數的增加而不斷累積增大。加載初期，εres比較小，但是增長速度卻很快；當循環次數大于4時，εres增長速度下降，且逐漸趨于穩定，這時材料已經經過“鍛煉”，開始呈現出明顯的完全超彈性。圖10（b）為試件CL-19在一個加卸載循環內的能量耗散值ΔW隨著循環次數的變化曲線。隨著循環次數的增加，ΔW不斷減小，且衰減速度先快后慢，最終趨于穩定。

4 結 論

本文通過試驗研究了不同直徑NiTi形狀記憶合金棒材在不同加載制度下的超彈性力學性能，著重考察了應變幅值和循環次數的影響。主要結論如下：

（1）由于加工工藝和設備條件的限制，直徑為19 mm的國產NiTi形狀記憶合金并不能獲得良好的超彈性性能，其最大可恢復彈性應變約為2.5%；而直徑為12 mm的NiTi形狀記憶合金在加載到5%應變時，其殘余應變小于1%，具有很大的工程應用潛力；直徑為6 mm的NiTi形狀記憶合金在往復荷載作用下容易發生受壓屈曲，在工程中應用時應特別注意。

（2）應變幅值對NiTi形狀記憶合金棒材的性能有重要影響。當應變幅值超過某一特定值（2.5%或5%）時，國產NiTi形狀記憶合金棒材將經歷較大的力學性能退化，其相變應力減小，殘余應變增大，同時耗能能力也開始變小。

圖9 應變等幅循環拉伸時SMA棒材的應力-應變關系Fig.9 Effect of cyclic loading on themechanical properties of SMA bar

圖10 循環次數對SMA超彈性的影響Fig.10 Effect of cyclic loading on themechanical properties of SMA bar

（3）循環次數對NiTi形狀記憶合金棒材的性能也有重要影響。隨著循環次數的增加，NiTi形狀記憶合金棒材的性能衰退先快后慢，最終達到穩定狀態。這種“鍛煉”方法可以使得材料達到完全的超彈性。

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Experimental Investigation on M echanical Properties of Shape M emory Alloy Bars in Different Sizes

WANGWei1，2SHAO Hongliang2，*
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Shapememory alloys in austenite states can recover to the original shape after experiencing large deformations，which is called superelasticity.For the engineering application of this unique property，an experimental study was conducted on the mechanical properties of large-sized NiTi bars in the austenite states at room temperature.Themechanical parameters such as transformation stress，residual strain and dissipated energy were studied with different strain amplitude and cyclic loading.The experimental results indicate that the largest recoverable strain of domestic NiTi bar（19mm in diameter）is 2.5%，which lags behind the foreign NiTi bar.The 12mm-in-diameter NiTi bar is suggested to be applied to joints of the steel structure for a good recentering performace with themaximum recoverable strain of 5%.It should be considered during engineering application that themechanical properties of NiTibars is greatly influenced by strain amplitude and cyclic loading.

shapememory alloy，NiTi，superelasticity，mechanical property，steel structure，recentering

2013－05－07

國家自然科學基金重點項目（51038008）資助*聯系作者，Email：weiwang＠tongji.edu.cn