高應變率下不同初始相變溫度NiTi 合金的力學響應

摘要： 為獲得高應變率下不同初始相變溫度NiTi 合金的屈服應力等基本物理特性和力學響應規(guī)律，采用10?3 s?1應變率下準靜態(tài)壓縮與拉伸、105 s?1 應變率下準等熵壓縮及107 s?1 應變率下沖擊加載實現(xiàn)跨量級的不同應變率加載，高應變率加載實驗中通過控制樣品初始溫度實現(xiàn)不同初始相態(tài)NiTi 合金的力學響應測量。結果顯示，初始馬氏體相和初始奧氏體相NiTi 合金的準靜態(tài)加載應力-應變曲線中均出現(xiàn)2 次模量變化，初始馬氏體相中的模量變化由晶體重定向和馬氏體相塑性變形引起，初始奧氏體相中的模量變化由馬氏體相變和相變后塑性變形引起。準等熵加載下，初始馬氏體相NiTi 合金的Lagrangian 聲速隨粒子速度增大而增大，未觀察到間斷等非線性變化；而初始奧氏體相中聲速曲線存在間斷，聲速由初始橫波值間斷減小至體波聲速后再隨粒子速度線性增大。沖擊實驗中，初始馬氏體相NiTi 合金后自由面速度約34 m/s 處出現(xiàn)雙波結構，而將樣品初始溫度升至402 K 后再沖擊加載，則在約100 m/s 處出現(xiàn)雙波結構，二者速度曲線拐點分別由馬氏體相彈塑性屈服和奧氏體相塑性屈服引起；在初始奧氏體相NiTi 合金沖擊實驗中，在樣品后自由面速度達到220～260 m/s 時才出現(xiàn)顯著的奧氏體相彈塑性轉變。隨著應變率從約105 s?1 升高至107 s?1，相同組分奧氏體相NiTi 合金的彈性極限由約2 GPa 增大至約4 GPa，107 s?1 應變率下，隨著初始樣品溫度升至402 K，彈性極限降至1.7 GPa，表明NiTi 合金的彈性極限存在顯著的溫度和應變率效應。

關鍵詞： NiTi 合金；奧氏體-馬氏體相變；相變溫度；高應變率；彈性極限

中圖分類號： O346.4 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

NiTi 合金具有形狀記憶效應、超彈性效應、高阻尼（吸能、減震）能力和生物相容性等優(yōu)異性能，在工業(yè)領域具有廣泛應用[1]。近年來，隨著NiTi 合金應用范圍的不斷拓展，其在部分應用環(huán)境中可能遭受瞬態(tài)（微秒、納秒量級）動態(tài)載荷加載，如NiTi 合金用于飛機的吸能器件、航天器機構收縮重復動作部件時，可能遭受平均速度為數(shù)千米每秒高速空間碎片的撞擊[2-3]；用于盔甲等防護系統(tǒng)[4-6] 時，可能受到子彈等的撞擊。雖然針對準靜態(tài)加載下NiTi 合金的力學性能已有較多研究，但是由于慣性效應和應變率效應，材料在高應變率下的力學特性、變形機理與準靜態(tài)下存在顯著差異[7-9]。因此，開展高應變率下NiTi合金的力學特性和動態(tài)響應規(guī)律研究具有迫切需求和重要價值。

NiTi 合金的形狀記憶效應、偽彈性特性由其在一定應力、溫度條件下發(fā)生奧氏體（austenite，B2）相與馬氏體（martensite，B19ˊ）相之間的轉變引起。NiTi 合金奧氏體-馬氏體相變對應力狀態(tài)、溫度非常敏感[10]。在中、低應變率加載下，隨著加載應變率升高，由于變形等耗散生熱使馬氏體相變阻力增大，導致應力誘導馬氏體相變壓力隨應變率的升高而增大[11-12]。當初始溫度達到臨界相轉變溫度時，變形物理機制發(fā)生轉變，NiTi 合金在應力加載后不再發(fā)生應力誘導奧氏體-馬氏體相變，而是發(fā)生母相奧氏體相的彈塑性變形[13-14]。準靜態(tài)實驗研究表明，馬氏體相NiTi 合金與奧氏體相NiTi 合金的屈服強度差異較大[15]，而高應變率加載接近于絕熱過程，由于絕熱溫升以及材料變形的非瞬態(tài)響應，必將影響材料的相變驅動力、相變條件及塑性屈服條件等基本物性[9， 16-17]。鑒于NiTi 合金相態(tài)及其相應力學性質對溫度具有較強的敏感性，解耦獲得不同初始相態(tài)在高應變率下的屈服強度等對應用設計至關重要[18-19]。為此，本文中，通過控制樣品溫度實現(xiàn)材料初始相態(tài)改變，獲得高應變率下不同初始相變溫度NiTi 合金屈服應力等基本物理特性和力學響應規(guī)律，以期為完善NiTi 合金物理模型和NiTi 合金關鍵部件在極端環(huán)境下的安全設計提供參考。

1 實驗方法與技術

1.1 樣品靜態(tài)性能表征

實驗選擇了4 種不同初始相變溫度的近等原子比NiTi 合金。首先表征獲得了材料在常壓下的基本物性參數(shù)，其中相變溫度采用差熱分析測量，組分采用化學分析和氣體分析，聲速測量采用5 MHz 石英傳感器的超聲波測量儀，相變溫度、組分等參數(shù)見表1。表中：TMs 為馬氏體相變起始溫度，TMf 為馬氏體相變結束溫度，TAs 為奧氏體相變起始溫度，TAf 為奧氏體相變結束溫度，cL0 為常壓下的縱波聲速，cs 為常壓下的橫波聲速。所選材料相變溫度均處于室溫附近，根據(jù)相變溫度，NiTi-1 在室溫（293 K）下完全處于馬氏體，NiTi-2、NiTi-3 和NiTi-4 在室溫下完全處于奧氏體。