形狀記憶合金性能及結構加固應用綜述

黎曉達 黃海帆

（廣東工業大學 土木與交通工程學院）

0 引言

自1932年瑞典科學家奧蘭德首次發現形狀記憶效應以來，人類對形狀記憶合金的研究已經持續了近百年。隨著研究的深入，作為一種新型智能材料，形狀記憶合金特有的超彈性和形狀記憶效應等特性逐漸被人們所認知。將形狀記憶合金的特性應用土木工程中，能夠有效改善結構的受力情況，對結構的開裂、變形具有一定程度上的抑制和主動修復的作用。

1 形狀記憶合金分類

目前被廣泛應用的形狀記憶合金主要有NiTi基、Cu基和Fe基三大類。這之中NiTi形狀記憶合金具有最優秀的形狀記憶效應和超彈性，被廣泛應用于航天航空和生物醫學領域，但是其生產成本較高，較Cu基和Fe基的更為昂貴，難以推廣；對比之下Cu基形狀記憶合金價格較為低廉，其價格約為NiTi形狀記憶合金的十分之一，但是其綜合力學性能較差并且形狀記憶效應不穩定。與NiTi基、Cu基形狀記憶合金相比，Fe基的成本低廉，并且具有較高的強度和較好的形狀記憶效應，同時焊接性能較好，與土木行業實際需求相性良好，在土木工程領域具有較好的應用前景。

2 形狀記憶合金主要性質

形狀記憶效應和超彈性是形狀記憶合金區別于一般材料最重要的兩種性質，其本質都是形狀記憶合金內部兩種晶體形態，即馬氏體和奧氏體相互轉變在宏觀上的具體表現，其中奧氏體轉變為馬氏體的過程稱為馬氏體相變，而馬氏體轉變為奧氏體的過程稱為馬氏體逆相變。馬氏體穩定存在于相對低溫的環境中，其存在馬氏體開始和結束溫度兩個溫度點，分別為Ms和Mf，而奧氏體則更適應于相對高溫的環境中，并且存在奧氏體開始和結束兩個溫度點，分別為As和Af。一般情況下，四個溫度點滿足Mf＜Ms＜As＜Af的關系。

2.1 形狀記憶效應

若在形狀記憶合金處于奧氏體，環境溫度位于Ms與As之間時對形狀記憶合金進行拉伸，應力的存在會驅使奧氏體發生馬氏體相變轉變為馬氏體，這部分馬氏體在卸載后會保留下來同時伴隨著宏觀上的殘余變形。當將帶有殘余變形的形狀記憶合金加熱至奧氏體開始溫度As時，馬氏體便會發生馬氏體逆相變重新轉變成為奧氏體，并且隨著馬氏體逆相變的進行殘余變形會逐漸恢復，直至馬氏體完全轉變為奧氏體，殘余變形完全恢復。這種能夠完全恢復殘余變形的能力即為形狀記憶合金的形狀記憶效應。

2.2 超彈性

當在形狀記憶合金所處的溫度高于奧氏體開始溫度As的條件下，對形狀記憶合金進行加載，在加載過程中由于應力作用奧氏體會轉變為馬氏體，但是由于環境溫度較高，該部分由應力誘發的馬氏體無法穩定存在，因此在卸載過程中，隨著應力的逐漸下降，馬氏體會逐漸轉變為奧氏體同時恢復其在拉伸發生的變形。這種在卸載后就能完全恢復變形的能力即為形狀記憶合金的超彈性。

3 形狀記憶合金相變性能改善

形狀記憶合金的兩種主要性質--形狀記憶效應和超彈性都是通過合金內部的相變變化來實現的。然而在加工過程中通常都會對形狀記憶合金進行冷拉處理，而冷拉的過程會拉長合金內部的晶格，使其產生位錯和內部缺陷。這些內部晶格的畸變會阻礙相變過程的順利進行，使得外界的溫度或者應力作用無法順利轉化為消除阻礙和馬氏體相變所需要的驅動力，致使形狀記憶合金失去相變能力，嚴重影響其使用效果。此時需要對形狀記憶合金進行熱處理，改善其形狀記憶效應和超彈性，以更有效地利用形狀記憶合金的特性。

3.1 完全退火處理

當形狀記憶合金經過冷拉加工而未經退火處理時，其應力應變曲線如圖1所示。

圖1 退火前形狀記憶合金應力應變曲線

由圖1可知，形狀記憶合金的應力應變曲線在加載過程中單調增長，整個試驗過程中沒有表現出明顯的相變變化；同時它的極限應變僅為14%，遠小于一般形狀記憶合金的極限應變，同時其極限強度較高，約為1400MPa，表現出明顯的冷作硬化特征。這樣的形狀記憶合金由于沒有出現相變過程，失去了其獨特的形狀記憶效應和超彈性，因此無法應用于實際工程。為了改善形狀記憶合金的相變性能，需要對其進行完全退火處理。使用馬弗爐對形狀記憶合金進行退火處理，采用的退火條件為900℃環境恒溫20min，然后取出自然冷卻至室溫。在進行完全退火處理后，再對形狀記憶合金進行拉伸試驗，其應力應變曲線如圖2所示。

圖2 退火后形狀記憶合金應力應變曲線

可以發現對比退火前，形狀記憶合金的強度由1400MPa降低到900MPa，同時極限應變由14%增大到35%，并且在應力約為550MPa時出現了類似于屈服段的相變平臺，說明其內部重新出現了相變變化，表明形狀記憶效應和超彈性得到改善，可以應用于實際工程。

3.2 DSC測試

由于形狀記憶合金發生相變變化時會出現吸熱放熱反應，而DSC測試可以測出材料在升降溫過程中吸熱放熱的數值，因此可以通過DSC測試進一步確定形狀記憶合金內是否發生了相變變化。退火后形狀記憶合金的DSC測試結果如圖3所示。

圖3 退火后形狀記憶合金DSC測試結果

根據圖3可以發現，在溫度約為-14℃時曲線上出現了較大的熱流變化，這說明在該位置形狀記憶合金內部出現了吸熱放熱的現象，說明其出現了相變變化，即表明形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性得到了改善，能夠應用于實際工程中。

4 形狀記憶合金在混凝土加固中的應用

基于形狀記憶合金的兩種特性，其在結構加固中的應用主要有兩個方向，即分別是利用形狀記憶效應和超彈性對結構進行加固和修復。

4.1 基于形狀記憶合金的預應力加固

由于形狀記憶效應的存在，對預拉伸的形狀記憶合金進行加熱，可以恢復其在預拉伸階段發生的形變。如果在加熱時形狀記憶合金兩端錨固，則形狀記憶合金會因為無法發生形變進而產生相應的回復力。此時若將形狀記憶合金兩端錨固在結構構件上再對其進行熱激勵，便可以通過形狀記憶效應產生的回復力對混凝土結構構件進行預應力加固或者修復結構在受力過程中出現的裂縫。

對預變形后的形狀記憶合金絲進行熱激勵，使其溫度到達奧氏體完成溫度，其產生的回復力運用于混凝土的預應力加固中具有巨大優勢。胡美玲[1]通過使用NiTiNb形狀記憶合金對混凝土梁進行加固，試驗采用了不同數量的形狀記憶合金，同時對比了激發與不激發形狀記憶效應的加固效果，發現通過激發形狀記憶效應可以有效減小梁的撓度，同時對梁的承載能力也有一定的提高。王俊君[2]利用NiTi形狀記憶合金對混凝土梁進行裂縫修復，發現形狀記憶效應能在一定程度上提高混凝土梁的開裂荷載，同時還能對加載過程中產生的裂縫實現有效修復。崔迪[3]將形狀記憶合金絞線作為主筋埋入混凝土梁中，由于SMA的形狀記憶效應產生的預應力，加固梁的變形，裂縫開展和極限承載力均有增加。Czaderski[4]和Hong[5]通過使用鐵基的形狀記憶合金對混凝土梁進行預應力加固，激勵后的形狀記憶合金能產生大量的回復力（250～400MPa），能應用于混凝土的預應力加固中。王文煒[6]使用CFRP與形狀記憶合金對混凝土梁進行復合加固，通過通電升溫的方式使形狀記憶合金絲回復，從而將預應力引入CFRP片材中，使用復合加固技術后，加固梁的開裂，屈服荷載有顯著的提升，同時剛度也得到了提高。

4.2 超彈性的應用

具有超彈性的形狀記憶合金在承受荷載發生形變之后，隨著卸載過程的進行其形變也會逐漸恢復而不會有殘余變形。因此超彈性形狀記憶合金常被應用于制作阻尼器以耗散結構在承載過程中外部輸入的能量，減小結構承載后的殘余變形。同時，超彈性產生的被動壓力也可以應用于結構的被動加固。

程光明[7]將具有超彈性的形狀記憶合金應用在連梁系統中，發現在對連梁進行往復加載時，超彈性形狀記憶合金能有效增大結構的耗能能力，減小加載過程中結構產生的變形，同時超彈性的存在使得結構在卸載后變形會逐漸回復，不過隨著加載次數的增多形狀記憶合金的恢復能力會減弱，因此要及時對形狀記憶合金進行預緊。裴金召[8]利用超彈性形狀記憶合金取代框架節點位置的鋼筋，然后對節點進行往復加載，結果發現節點獲得了一定的自復位能力，同時剛度下降速度較一般節點更慢，說明超彈性的應用一定程度上提高了節點的延性。任澤鵬[9]使用超彈性形狀記憶合金絲對混凝土柱進行纏繞加固，試驗設置了不同的形狀記憶合金預變形量、形狀記憶合金用量和柱的軸壓比，發現超彈性形狀記憶合金的用量增大能有效改善柱的力學性能，提高其承載能力，同時改變了破壞模式，由脆性破壞轉變為延性破壞。

5 結束語

通過形狀記憶效應產生的回復力對混凝土結構構件進行預應力加固具有巨大的優勢和潛力。使用形狀記憶合金加固后，加固結構的變形和裂縫有很好的抑制作用，同時結構的承載力和剛度顯著提高。然而形狀記憶合金在實際應用時，由于環境條件的限制，難免會碰到形狀記憶合金退火不完全或者沒有經過退火處理的情況。改善其熱處理方式，對其進行完全退火處理，能改善形狀記憶合金的具體性能，這為工程提供了具有實際意義的參考。