基于非晶-納米晶復相結構形狀記憶合金絲材的線性應變傳感設計

中圖分類號：TQ424 文獻標志碼：A

文章編號：2096-2983（2025）04-0055-06

引文格式：，，，等．基于非晶-納米晶復相結構形狀記憶合金絲材的線性應變傳感設計[J]．有色金屬材料與工程， 2025，46（4）：5-60.DOI：10.13258/jcnkimme.20240415002.DENGGuomin，SHShudong，JQi，etal.Designflear strainsensing techniquebasedonamorphous-nanocrystalinecomplexstructure shape memory alloywire[J].NonferrousMetal Materials and Engineering， 2025， 46（4）： 55-60.

Abstract： Shape memory alloy （SMA） is a typical intelligent material with integrated sensing-actuatingcontrol capabilities. Leveraging its pseudoelasticity and strain-electrical resistance correlation， SMA demonstrates significant potential as a high-resolution strain sensor. However，the pseudoelasticity of SMA originates from martensitic phase transformation， whose first-order nature leads to phase transformation hysteresis and functional fatigue—both of which interfere with the strain-electrical resistance correlation，failing to meet the requirements for high-precision strain monitoring. Here，an amorphous-nanocrystalline multiphasestructureisconstructed via microstructural tailoring， transforming the typical abrupt first-order phase transformation into continuous behavior. This structure endows the alloy with broadened continuous phase transformation， ultra-low hysteresis，and enhanced functional fatigue stability. The results indicate that amorphous-nanocrystaline multiphase Ni-Ti shape memory alloy （SMA） wires exhibit a highly linear displacement-resistance relationship， excelent cyclic stability，and a long service life. When applied to the three-point bending strain testing ofconcrete， the SMA-based strain sensing system demonstrates a well-defined load-displacement-resistance signal response and reliable functional stability.

Keywords： shape memory alloy; amorphous-nanocrystalline; strain sensing; complex structure

形狀記憶合金（shape memoryalloy，SMA）利用馬氏體相變及逆相變過程中的晶體結構變化，在宏觀上呈現巨大的可恢復應變的特性。根據其宏觀應變恢復的方式，即升溫回復或卸載直接回復，SMA 特性分為形狀記憶效應和超彈性[]。基于SMA的超彈性特性，已衍生出多種應用形式，如心血管支架、植入式骨釘等。將超彈性與SMA絲材的應變-電阻特性結合，有望開發出應變傳感系統。國內外在研究SMA作為應變檢測器件可行性方面已經取得了一定的工作積累。Furst等證實了SMA應變傳感器在高頻應變環境下的應用潛力，其電阻率變化與高頻應變呈現高度相關性，且表現出優異的環境穩定性。此外，已有研究[8-14]表明，SMA 應變傳感器在復雜環境及多種載荷工況下同樣表現出良好的適用性。

傳統SMA絲材的超彈性源于應力誘發馬氏體相變及卸載時的逆相變，伴隨晶體結構可逆轉變。然而，一級相變的滯后特性，以及多循環工況中因相變界面反復遷移導致的位錯累積、馬氏體穩定化等問題[15-20]，致使其超彈性出現功能衰減。這些獨特的相變行為顯著降低了應變檢測的精度與穩定性，制約了SMA在應變傳感領域的進一步應用。

孫慶平等研究表明，當SMA晶粒細化至10nm 時，在受力狀態下相變行為從一級相變轉變為連續相變，應力-應變關系呈線性特征。同時，其非晶態作為連續彈性體，其應變-電阻-受力呈現線性關聯。本文通過調控Ni-TiSMA絲材的非晶-納米晶復相組織，弱化其一級相變特征，實現應變-電阻的線性相關性，并驗證該絲材在多循環工況下的穩定性與長使用壽命。同時，將Ni-TiSMA應變傳感技術與路橋工程需求相結合，應用于混凝土三點彎曲應變測試中，結果顯示其載荷-應變-電阻信號響應良好，功能穩定可靠。基于本研究成果，有望開發出兼具超大應變監測范圍、高靈敏度，且能適應復雜測試環境的應變傳感器，為大型結構安全監控及智慧建筑建設提供有力的技術支持。

材料和試驗方法

本研究選用 Ni_50.8Ti_49.2 成分的SMA絲材，通過調控單道次拉拔變形量與退火參數，利用材料內部連續大塑性變形，制備非晶-納米晶復相結構絲材。工藝流程為：首先熔煉 Ni_50.8Ti_49.2 SMA鑄錠，經熱處理后在室溫下拉拔，控制單道次拉拔變形量約為30% ，最終獲得直徑為 0.15mm 的 Ni_50.8Ti_49.2 SMA非晶-納米晶復相結構絲材（簡稱為非晶-納米晶絲材）。此外，本研究還采購了賽特公司同成分、同直徑的傳統 Ni_50.8Ti_49.2 超彈絲材（簡稱為傳統超彈絲材）作為對比樣品

非晶-納米晶絲材的相變溫度通過差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）和動態熱機械分析進行測試。絲材的力學性能采用萬能材料試驗機進行測試，樣品原始標距為 100mm ，拉伸速率為 5mm/min 。其應變-電阻關系通過電阻-應變儀測試。混凝土梁三點彎曲試驗由浦東路橋提供試件，用于評估材料的應變-電阻相關性及穩定性能。微觀結構觀察使用 200kV 透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM），TEM樣品經雙噴射拋光機制備，工藝參數為 ，電解液為 5% 高氯酸和 95% 乙醇（體積分數）。

2 結果與討論

超彈絲材在加載 （0～400s）- 卸載（ 400～800s， ）過程中位移-電阻變化見圖1（a）。在加載-卸載過程中，超彈絲材的位移-電阻呈現非線性關系，見圖1（b）。這一現象與應變傳感器件材料所必須具備的應變-電阻關系一致性和穩定性存現偏差。

圖2（a）為非晶-納米晶絲材在 1%2%3% 4% 應變下的反復拉伸應力-應變曲線。結果表明，非晶-納米晶絲材在不同應變反復拉伸試驗過程中，應力-應變曲線接近線性關系，幾乎不存在傳統SMA中出現的力學平臺和滯后現象。圖2（b）為非晶-納米晶絲材在不同應變下反復拉伸試驗的電阻-位移關系。由圖2（b）可以看出，非晶-納米晶絲材在加載與卸載過程中呈現線性關系，且加載拉伸和卸載回復階段具有一致性。圖2（c）為非晶-納米晶絲材在不同應變下進行反復拉伸試驗后的TEM圖。通過觀察試樣上多個位置，可發現該絲材在微觀組織上呈非均勻空間分布。紅色高亮區域可見規律的原子排布，證實了該區域的納米晶結構。其他區域也能觀察到納米晶顆粒，晶粒尺寸分布從幾納米到幾十納米。黃色高亮區域未見規律的原子排布，選區衍射呈現衍射環圖樣，證實該區域為非晶結構。因此，確定該絲材為一種由非晶基體和分散的納米晶顆粒組成的復相結構材料。

試驗進一步測試了非晶-納米晶絲材在循環應變過程中的電阻和位移的變化，循環次數為2000次，測試結果見圖3。結果表明，在循環測試范圍內，非晶-納米晶絲材的電阻-位移呈現線性關系，加載拉伸和卸載回復階段的一致性較好。

本文對比了SMA應變傳感器元件材料與傳統應變片金屬材料的靈敏度系數，見表1。應變傳感器元件材料的靈敏度系數的計算公式為：

K=（ΔR/R₀）/ε

式中： R₀ 為應變片原電阻; ΔR 為伸長或壓縮所引起的電阻變化； K 為靈敏系數（應變片常數）； σ_ε 為應變。

圖3非晶-納米晶絲材的電阻循環圖和位移循環圖

Fig.3 Resistance and displacement cycle diagrams of \"＼`amorphou-nanocrystaline\" wire

表1幾種SMA以及普通金屬應變片靈敏度系數

Tab.1 Sensitivity coeficients of several shape memory alloys and conventional metal strain gaug

從數據計算獲得，非晶-納米晶絲材的伸長或壓縮所引起的電阻變化 ΔR 接近 0.2Ω ，其靈敏度系數 K 接近8.1。相比傳統的應變片材料康銅（靈敏度系數 K 約為3.0），非晶-納米晶絲材（靈敏度系數K 約為8.1）靈敏度更高。由于Ni-TiSMA的電阻遠大于傳統應變片（康銅）的，在相同尺度變化下電阻變化分辨率大，靈敏度系數更好

本文通過澆筑并測試小型混凝土梁在三點彎曲模式下的位移-電阻相關性和穩定性的方式，來驗證非晶-納米晶絲材應變傳感器的可行性。具體試驗設計如圖4所示。圖4中，混凝土構件尺寸為 800mm×15mm×15mm ，三點彎曲橫梁跨度為550mm 。非晶-納米晶絲材采用內置方式，外部套上細管，整體埋置于混凝土內部。

按照加載-恒載-加載-恒載的交疊加載模式測試內置非晶-納米晶絲材應變傳感器元件模式下的載荷-位移-電阻關系，結果見圖5。

結果表明，將非晶-納米晶絲材內置在混凝土構件后，加載過程中構件的載荷-位移-電阻呈線性相關，且響應迅速。在外加載荷保載階段，非晶-納米晶絲材電阻保持穩定。整個加載、保載過程中，傳感器元件的電阻率與構件位移始終保持良好的線性關系。

在模擬實際工況的混凝土加載-保壓應變測試中發現，Ni-TiSMA絲材的應變-電阻穩定性與安裝方式密切相關。采用內置式安裝時，絲材元件一方面可有效隔絕溫度、氣流波動等環境干擾；另一方面，測試過程中絲材僅產生軸向應變，其橫向位移與震蕩受限，因此，能夠精準反映混凝土梁的實際應變，數據可靠性顯著提升。位移-電阻-載荷間呈現的高度線性關系，歸因于材料內部納米晶的連續相變特性與非晶相的連續彈性行為協同作用，二者復合賦予非晶-納米晶復相結構優異的線性傳感性能。

圖4內置非晶-納米晶絲材的混凝土三點彎曲測試結構圖及測試中的應變分布預測

Fig.4Three-pointbending testsetupforconcreteembeddedwiththeamorphous-nanocrystalinewireandpredictedstrain distributionduringthetest

圖5內置非晶-納米晶絲材應變傳感元件模式下的載荷-位移-電阻關系

Fig.5Load-displacement-electrical resistance relationship under the built-in amorphous-nanocrystalline wire strain sensing element mode

3結論

（1）對比傳統超彈絲材的位移-電阻相關性，非晶-納米晶絲材具有線性位移-電阻關系。（2）非晶-納米晶絲材循環2000次后的位移一電阻呈現單一線性關系，加載拉伸和卸載回復階段的一致性都保持較好。（3）通過混凝土梁三點彎曲模型進行了實驗室驗證，結果表明，非晶-納米晶絲材作為應變感知元件，呈現良好的載荷-位移-電阻信號響應和功能穩定性。

綜上所述，本文設計的非晶-納米晶絲材是理想的應變傳感器元件材料，有望在大型結構安全監控和智慧建筑的構建中發揮重要作用

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（編輯：畢莉明）