鎳鈦形狀記憶合金熱機械循環變形行為試驗研究

姜晗， 徐祥， 王蒞辰， 闞前華， 康國政

(1.應用力學與結構安全四川省重點實驗室，成都610031; 2.西南交通大學力學與工程學院， 成都610031)

鎳鈦形狀記憶合金熱機械循環變形行為試驗研究

姜晗1,2， 徐祥1,2， 王蒞辰1,2， 闞前華1,2， 康國政1,2

(1.應用力學與結構安全四川省重點實驗室，成都610031; 2.西南交通大學力學與工程學院， 成都610031)

鎳鈦形狀記憶合金在應用過程中，不可避免地承受熱機械循環載荷作用，進而導致材料的結構性和功能性疲勞失效。熱力學循環變形試驗在自主開發的熱機械循環試驗平臺上開展，并實時采集力、位移和溫度信號，提取循環應力、應變和溫度演化曲線，研究熱機械循環變形對形狀記憶效應的劣化作用。試驗結果表明：機械循環載荷將輕微降低鎳鈦形狀記憶合金在升溫過程中的應變回復能力；同時，形狀記憶效應隨著熱機械循環和溫度循環次數的增加出現顯著劣化。研發的熱機械循環變形試驗平臺可用于揭示鎳鈦形狀記憶合金功能性退化機理，為進一步對形狀記憶合金器件的性能評估提供有益參考。

形狀記憶合金；熱機械循環；形狀記憶效應；循環變形

引言

鎳鈦形狀記憶合金(SMA)具有獨特的超彈性、形狀記憶效應以及生物相容性，因此廣泛應用于微機電系統、生物醫學、機械和土木工程等領域。鎳鈦形狀記憶合金在應用過程中，不可避免的熱機械循環變形行為會引起合金的疲勞甚至是失效。為此，國內外學者開展了廣泛研究。例如，在熱機械循環方面，Miyazaki等[1]首先對鎳鈦合金絲的循環變形行為進行了研究，揭示了循環載荷對相變應力和殘余應變等均產生很大的影響；Nemat-Nasser和Guo[2]研究了在不同應變率和溫度下，鎳鈦形狀記憶合金的超彈性和循環變形響應特征；在熱機械循環方面，羅洪艷等[3]采用了四種典型的熱機械循環訓練方法獲取具有雙程形狀記憶效應的鎳鈦合金絲，從雙程形狀回復量、高溫相形狀、低溫相形狀和相變溫度的變化等方面系統研究了訓練方法對雙程形狀記憶效應訓練效果的影響；譚冀等[4]研究了熱機械循環對鎳鈦形狀記憶合金的回復應變、應力誘發馬氏體的臨界應力以及馬氏體相變溫度的影響；Suresh等[5]采用電子回散衍射研究了富鎳鎳鈦形狀記憶合金在熱循環和熱機械循環過程微觀組織的變化；Abbasi等[6]通過實驗評價了冷軋退火中的熱機械處理對納米結構形狀記憶合金的微觀結構和形狀回復的影響；Saikrishna等[7]發現，熱機械循環中奧氏體殘余變形和回復應變發生變化，這些變化在最初的幾個周期是顯著的，并在一定的循環周次下達到穩定狀態；Li等[8]發現，在熱機械循環初始的200周期內，鎳鈦記憶合金絲的回復應變和疲勞壽命發生顯著變化，在隨后的循環里，回復應變逐漸趨于穩定；Bo和Lagoudas[9]對多晶鎳鈦形狀記憶合金在循環熱誘導的相變周期進行了研究，在循環100～300圈，合金的性能逐漸穩定，當循環超過2000圈時，塑性應變繼續開始積累；此外，Kang和Song[10]通過實驗對純粹的機械和熱機械疲勞特性的合金進行了概述，并提出了建設的疲勞失效模型；Tadayyon等[11]研究了退火對富鈦鎳鈦形狀記憶合金的顯微組織演變與力學性能的影響；Yu等[12]針對超彈性 NiTi 形狀記憶合金的應變率相關的循環變形，建立了描述三維熱-力學耦合和物理機制為基礎的本構模型。

盡管鎳鈦合金的熱機械循環變形行為引起了很大的重視，但由于大部分的實驗都集中在對鎳鈦形狀記憶合金的機械循環和熱機械循環變形的研究，對熱機械循環及循環變形歷史對形狀記憶效應影響的研究還不完善。因此，為了更好地了解鎳鈦形狀記憶合金形狀記憶效應的退化機制，研究熱機械循環變形及其歷史對形狀記憶效應的影響十分必要。本文擬通過自主研制的熱機械實驗平臺在應變控制下對鎳鈦形狀記憶合金進行不同熱機械循環歷史的實驗，研究循環周次與升溫回復時的殘余應變之間的關系，揭示形狀記憶效應的退化機制。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

實驗所用鎳鈦形狀記憶合金(Ni原子分數50.9%)為1.5 mm厚薄板(購自江陰法爾勝佩爾新材料科技有限公司)，設計試樣如圖1 所示，總長度為68 mm，工作段長度為40 mm，寬度為4 mm，工作段與夾持段過渡圓弧直徑為4 mm。經過同步熱分析儀測定，馬氏體相變完成溫度Af=35 ℃，奧氏體相變完成溫度Af=80 ℃。試驗溫度為T0=28 ℃，即室溫下該材料為馬氏體相。

圖1 試件示意圖

1.2試驗方法

1.2 .1試驗裝置

自主開發了熱機械循環試驗平臺，如圖2 所示。該平臺機械加載通過MTS試驗機完成，試驗機與計算機連接，通過Flex-Test40控制系統對整個實驗過程進行控制和數據的采集。

圖2 試驗裝置連接示意圖

通過電流發生器對試件進行升溫處理，并在MTS夾持試樣的部位和引伸計夾持部位設計如圖3 所示的聚碳酸酯絕緣套；通過熱電偶對溫度進行實時測量，將熱電偶采集的溫度信號傳輸到Flex-Test40的信號控制器。通過以上設計，可實現對力、位移和溫度的同步實時采集。

圖3 試件的絕緣處理示意圖

1.2.2試驗程序

為了揭示加載模式和不同循環歷史對形狀記憶效應的影響，設計如下三類試驗工況：

(1) 應變控制機械循環訓練后的形狀記憶循環試驗。如圖4 所示，鎳鈦形狀記憶合金在室溫T0=28℃加載到最大應變εmax=8%，加載的應變速率為0.001s-1；然后卸載至應力為零，卸載應力率為10MPa/s，循環50周次后再升溫到Tmax=120 ℃，然后降溫至T0。

圖4 第一類工況加載示意圖

(2) 應變控制下的熱機械循環試驗。如圖5 所示，鎳鈦形狀記憶合金在室溫T0=28 ℃加載到最大應變εmax=8%，加載的應變速率為0.001 s-1；然后通過卸載至應力為零，應力率為10 MPa/s，再升溫到Tmax=120 ℃，升溫速率為10 ℃/s，然后降溫至T0，進行10個循環周次。

圖5 第二類工況加載示意圖

(3) 保持應力的溫度循環試驗。如圖6 所示，將試件加載至σh=50MPa并保持，此時進行升溫，升溫速率為10 ℃/s，加熱試樣至Tmax=120 ℃以上，然后降低至室溫T0=28 ℃，循環升溫-降溫過程30個周次。

圖6 第三類工況加載示意圖

2 試驗結果及討論

2.1 應變控制機械循環對形狀記憶效應的影響

在應變控制下對形狀記憶合金進行機械循環訓練，最大加載應變εmax=8%進行試驗，進行機械循環訓練，再升溫到Tmax=120 ℃，然后降溫至T0=28 ℃，得到如圖7 所示的應力-溫度-應變曲線。

圖7 應力-溫度-應變曲線

由圖7 可知，在加載-卸載循環50周以后，鎳鈦合金的殘余應變并未發生明顯累積，在進行升溫-降溫處理之后，殘余應變大部分都可以回復。升溫-降溫回復階段，在溫度升高初期，應變并未回復太多，當溫度繼續升高，應變迅速回復并基本穩定，當溫度升高至120 ℃后，溫度回復至室溫，在此過程中，應變會稍微變大最終形成殘余應變。由此可見，通過此熱機械循環試驗平臺，可以探究機械循環對于合金形狀記憶效應的影響。

2.2 應變控制熱機械循環對形狀記憶效應的影響

在應變控制下進行熱機械循環試驗，加載到最大應變εmax=8%，進行拉伸-卸載-升溫-降溫循環10周次再升溫到Tmax=120 ℃，升溫速率為10 ℃/s；然后降溫至T0=28 ℃，如此進行10個循環。圖8 顯示了10個熱機械循環后的應力-應變曲線，可以看出，在相同峰值應變下，響應的應力隨著循環次數的增加均逐漸變小；殘余應變不斷累積。

圖8 應力-應變圖

如圖9 所示，在拉伸-卸載循環后，合金只能回復小幅度的應變，而對其進行升溫-降溫處理后，殘余應變隨著循環周次的增加而增加，并逐漸趨于穩定。由此可知，循環熱機械訓練將大大劣化鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶效應。

圖9 殘余應變與循環圈數關系圖

2.3溫度循環對形狀記憶效應的影響

將試件加載至50MPa并保持不變，然后進行升溫，升溫速率為10 ℃/s，加熱試樣至Tmax=120 ℃以上，然后降低至室溫T0=28 ℃，重復上述升溫-降溫過程10次，得到如10所示的溫度-應變圖循環演化曲線。由圖10 可以看出，在保持應力的情況下產生一定應變，當溫度升高，應變回復，降溫后應變變大，且溫度循環會導致應變的不可逆累積。當保持應力不變進行溫度循環時，每一次升溫-降溫后的殘余應變隨著循環圈數的增加而增加，循環圈數越大，殘余應變的增加量越小。

圖10 溫度-應變圖(保持應力50 MPa)

由圖11 可看出，隨著循環圈數的增加，奧氏體相和馬氏體相狀態下的殘余應變均會增加，然后趨于穩定狀態。由上述結果可知，恒定應力下的溫度循環也將導致形狀記憶效應的劣化。

圖11 不同相的殘余應變與循環圈數的關系

3 結束語

本實驗自主開發的熱機械循環試驗平臺，該裝置由MTS試驗機、計算機、Flex-Test40控制系統、電流發生器、引伸計、熱電偶和夾持部位絕緣套組成，可實現對力、位移和溫度數據的同步實時采集。通過對鎳鈦形狀記憶合金開展三類循環變形可知：合金的形狀記憶效應對預先的機械循環不敏感，熱機械循環和溫度循環均會顯著降低合金的形狀記憶回復能力。

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Experimental Observation on Thermo-mechanically Cyclic Deformation of NiTi Shape Memory Alloy

JIANGHan1,2,XUXiang1,2,WANGLichen1,2,KANQianhua1,2,KANGGuozheng1,2

(1.Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031, China ;2.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

NiTi shape memory alloy is often subjected to the thermo-mechanically cyclic loadings in applications, which leads to structural and functional fatigue failures of the alloy. The thermo-mechanically cyclic deformation tests were carried out by using the self-developed thermo-mechanically cyclic test platform; the signals of force, displacement and temperature were collected in real time. By extracting the evolution curve of cyclic stress, strain and temperature, the influences of the thermo-mechanically cyclic deformation on shape memory effect were investigated. Results show that a pre mechanically cyclic loading reduces slightly the strain recovery capacity during heating process, but the shape memory effect decreases remarkably with the increasing number of cyclic under the thermo-mechanically cyclic loading and temperature cycling loading. The developed platform using for the test of thermo-mechanically cyclic deformation can be used to indicate the functional degradation mechanism of NiTi shape memory alloy. It is a useful reference for the further performance evaluation of shape memory alloy based devices.

shape memory alloy; thermo-mechanical cycle; shape memory effect; cyclic deformation

2016-03-31

國家自然科學基金(11532010;11572265);國家大學生創新訓練項目(201510613053)

姜 晗(1995-),女,湖北棗陽人,主要從事形狀記憶合金熱力學疲勞失效方面的研究,(E-mail)308562793@qq.com; 康國政(1969-),男,貴州遵義人,教授,博士,主要從事先進材料本構關系方面的研究,(E-mail)guozhengkang@126.com

1673-1549(2017)01-0065-05

10.11863/j.suse.2017.01.12

TG139.6

A