室溫下形狀記憶合金絲拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究

徐濤,隋杰英,魏征

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島266525；2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，武漢 430063)

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性等優(yōu)異性能，被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，特別是在醫(yī)療器械、航空航天、機(jī)械制造、土木工程等領(lǐng)域。在土木工程領(lǐng)域當(dāng)中，SMA主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制、消能減震、結(jié)構(gòu)修復(fù)等方面[1-2]。利用SMA材料的超彈性，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在減隔震中的自復(fù)位，并且它的滯回曲線飽滿，具有很好的消能作用。左曉寶等[3]對1 mm SMA絲進(jìn)行試驗(yàn)性能研究，通過改變溫度、循環(huán)次數(shù)、加載速率、幅值等應(yīng)變參數(shù)，探究SMA絲相變應(yīng)力、耗能能力等力學(xué)特性。張明明等[4]除探究SMA絲的主要參數(shù)外，還探究了0.5，0.8，1.0，1.2 mm四種不同尺寸的SMA絲之間的力學(xué)性能。閻石等[5]對形狀記憶合金進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)，并把試驗(yàn)結(jié)果與Grasser理論模型進(jìn)行對比，探究影響SMA絲力學(xué)性能的主要影響因素。

圖1 引伸計(jì)

目前，針對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制、減震隔震工程的需要，本文通過改變循環(huán)次數(shù)、加載速率、加載幅值等影響SMA絲力學(xué)性能的幾個(gè)核心參數(shù)，探究大尺寸2 mm SMA絲的各項(xiàng)力學(xué)性能，同時(shí)，對穩(wěn)定狀態(tài)下2 mm SMA極限應(yīng)力-應(yīng)變的測定，可以準(zhǔn)確地得到2 mm SMA的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變幅值，為2 mm SMA在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、減震隔震中的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)[6-8]。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)的材料采用的是2 mm Ni-Ti形狀記憶合金絲，其化學(xué)成分：Ni51，Ti49(原子組分%)，試件長度200 mm，標(biāo)距100 mm，其在室溫條件下處于奧氏體狀態(tài)。本次試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)，對2 mm SMA絲施加一個(gè)微小的預(yù)拉力，以便使SMA絲能夠拉緊，SMA絲的軸向變形由引伸計(jì)來測得，如圖1所示。試驗(yàn)過程所測得數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。本次試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方法見表1。

表1 試驗(yàn)方法

2 試驗(yàn)參數(shù)規(guī)定

在單個(gè)循環(huán)拉伸試驗(yàn)中，SMA絲典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[9]如圖2所示：OA段為SMA絲處于奧氏體彈性階段，AB段為SMA絲由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程；σMs，σMf為馬氏體相變開始和相變結(jié)束的應(yīng)力；B點(diǎn)為SMA絲由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的結(jié)束點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力持續(xù)增加到C點(diǎn)，即BC段，以及卸載開始的BD段，SMA絲都處于馬氏體狀態(tài)，隨著卸載的進(jìn)行，DE段為SMA絲由馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程；σAs，σAf為奧氏體相變開始和相變結(jié)束的應(yīng)力；EF段為SMA絲恢復(fù)到奧氏體狀態(tài)；OF段為單個(gè)加卸載循環(huán)的殘余應(yīng)變?chǔ)舝es。由OABDEF所圍成的圖形面積ΔW為單個(gè)循環(huán)的循環(huán)耗能，總的彈性儲(chǔ)能則是OABG所圍成的總面積W。

根據(jù)以上參數(shù)的確定及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識，等效阻尼比采用下式計(jì)算：

(1)

式中：umax為單個(gè)循環(huán)的最大應(yīng)變幅值；k為等效剛度，其計(jì)算公式為

圖2 經(jīng)典應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

(2)

式中：umin為單個(gè)循環(huán)的最小應(yīng)變幅值；σmax，σmin為單個(gè)循環(huán)的最大和最小應(yīng)力。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 循環(huán)次數(shù)對2 mm SMA絲力學(xué)性能的影響

室溫環(huán)境里，對2 mm SMA絲進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)的加卸載試驗(yàn)，加載速率為10 mm/min，加載幅值為5%。應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，等效阻尼比變化曲線如圖4所示。

圖4 等效阻尼比與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖3和圖4可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各相變應(yīng)力、單圈循環(huán)耗能、等效阻尼比都有不同程度的降低，在2 mm SMA絲15次循環(huán)當(dāng)中，各相變應(yīng)力分別減少了231.33，113.19，90.46，98.16 MPa，但在前3次循環(huán)中各相變應(yīng)力的減幅較大，分別減少了127.7，84.84，72.98，65.28 MPa，分別約占總減幅的55.2%，74.9%，80.68%，66.50%；單圈循環(huán)耗能在前5次循環(huán)當(dāng)中減幅較大，約占總減幅的70.9%；等效阻尼比也在前5次循環(huán)當(dāng)中減幅較大，減少了1.23%，約占總減幅的64.4%。當(dāng)循環(huán)次數(shù)在5次以上時(shí)，各相變應(yīng)力、單圈循環(huán)耗能、等效阻尼比減幅較緩，特別在13次以后，基本上達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。但是，殘余應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加，前9次循環(huán)殘余應(yīng)變增速較快，增量為0.32%，約占?xì)堄鄳?yīng)變總增量的88.9%，9次循環(huán)以后，殘余應(yīng)變呈緩慢上升趨勢，當(dāng)達(dá)到13次循環(huán)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，殘余應(yīng)變不再變化。通過與相關(guān)文獻(xiàn)1 mm SMA絲循環(huán)次數(shù)的對比，2 mm SMA隨循環(huán)次數(shù)的增加更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 2 mm SMA絲的極限應(yīng)力和應(yīng)變

在室溫條件下，對穩(wěn)定狀態(tài)下的2 mm SMA絲進(jìn)行極限拉伸試驗(yàn)，加載速率為10 mm/min。測得SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著加載的開始，處于奧氏體階段的2 mm SMA絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性上升關(guān)系；不斷加載，2 mm SMA絲發(fā)生馬氏體相變，從相變開始到相變結(jié)束，應(yīng)力增幅約為64.79%，應(yīng)變增幅約為637.39%，由于應(yīng)力誘發(fā)材料內(nèi)部馬氏體體積分?jǐn)?shù)不斷增加，致使應(yīng)變增幅要比應(yīng)力增幅大；當(dāng)繼續(xù)加載到2 mm SMA絲處于馬氏體狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變曲線近似呈線性關(guān)系不斷上升，直至2 mm SMA絲達(dá)到極限應(yīng)力、應(yīng)變，SMA絲被拉斷，2 mm SMA絲由實(shí)驗(yàn)測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載上升段與經(jīng)典應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段吻合較好。在加載速率為10 mm/min的條件下，2 mm SMA絲的極限應(yīng)力約為1218 MPa，極限應(yīng)變約為10.97%。

3.3 加載速率對2 mm SMA絲力學(xué)性能的影響

室溫環(huán)境里，對處于穩(wěn)定狀態(tài)的2 mm SMA絲進(jìn)行不同加載速率條件下的加卸載試驗(yàn)，加載幅值為5%。所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖5 極限應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖6可知，加載速率由10 mm/min增加到50 mm/min時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的2 mm SMA絲的各相變應(yīng)力出現(xiàn)較小幅度的下降；單圈循環(huán)耗能減少了0.27 MJ/m3，減幅較??；等效阻尼比則隨加載速率的增大出現(xiàn)小幅下降，從3.58%降到了3.29%，降幅約為8.1%；殘余應(yīng)變在加載速率改變時(shí)，沒有發(fā)生變化，且殘余應(yīng)變微小基本可以忽略。

3.4 加載幅值對2 mm SMA絲力學(xué)性能的影響

室溫環(huán)境里，對穩(wěn)定狀態(tài)下的2 mm SMA絲進(jìn)行不同加載幅值條件下的加卸載試驗(yàn)，加載速率為10 mm/min。所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，等效阻尼比變化曲線如圖8所示。

圖8 等效阻尼比與循環(huán)幅值關(guān)系曲線

由圖7和圖8可知，隨著循環(huán)幅值的增加，馬氏體相變開始的應(yīng)力出現(xiàn)微小變化，而馬氏體相變結(jié)束的應(yīng)力在循環(huán)幅值由4%增到8%時(shí)，增大了180.93 MPa，增幅為30.02%；奧氏體相變開始的應(yīng)力和相變結(jié)束的應(yīng)力都出現(xiàn)大幅下降，降幅約為24.26%，47.55%。滯回曲線所圍成的面積隨著循環(huán)幅值的增加不斷增大，表明單圈循環(huán)耗能能力不斷增強(qiáng)，在循環(huán)幅值由4%增大到8%時(shí)，單圈循環(huán)耗能增大了18.12 MJ/m3，增幅約為318.45%；由于單圈循環(huán)耗能的增幅要比循環(huán)幅值的增幅快，以及等效剛度隨循環(huán)幅值的增加不斷降低，導(dǎo)致等效阻尼比隨循環(huán)幅值的增大而不斷增大；殘余應(yīng)變在幅值增大的過程中沒有變化。

4 結(jié)論

1) 隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，2 mm SMA絲的各相變應(yīng)力、等效阻尼比、單圈循環(huán)耗能不斷降低，殘余應(yīng)變則隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷增加，當(dāng)循環(huán)到13次以上時(shí)，2 mm SMA絲的各項(xiàng)力學(xué)性能都趨于穩(wěn)定狀態(tài)。所以在對2 mm SMA絲設(shè)計(jì)使用時(shí)，對其預(yù)先進(jìn)行13次以上的單圈拉伸循環(huán)，使其各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 在對2 mm SMA絲極限應(yīng)力、應(yīng)變的試驗(yàn)中，由于極限應(yīng)變能達(dá)到10.97%，表明SMA絲的軸向變形能力強(qiáng)。同時(shí)，由試驗(yàn)測得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本與經(jīng)典應(yīng)力-應(yīng)變曲線的加載段吻合較好。

3) 當(dāng)加載速率由10 mm/min增加到50 mm/min時(shí)，各相變應(yīng)力、等效阻尼比、單圈循環(huán)耗能都有微小降低，殘余應(yīng)變基本沒有變化，表明加載速率對SMA絲的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)影響較小。

4) 隨著循環(huán)幅值的不斷增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍成的面積不斷增加，表明SMA絲的單圈循環(huán)耗能能力隨循環(huán)幅值增加不斷增強(qiáng)。