保持時(shí)間對鎳鈦形狀記憶合金單軸循環(huán)相變的影響#

1、中國科技論文在線- PAGE 5 - FORMTEXT 保持時(shí)間對鎳鈦形狀記憶合金單軸循環(huán)相變的影響基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)新教師基金（20120184120012） FORMTEXT 董詩玉， FORMTEXT 闞前華， FORMTEXT 楊強(qiáng)軍， FORMTEXT 康國政作者簡介：董詩玉（1991-），男，碩士研究生，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系通信聯(lián)系人：闞前華（1980-），男，副教授，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系. E-mail: qianhuakanSET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET versio

2、n 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkCompanyEN School of Mechanics and Engineering, S

3、outhwest Jiaotong University, Chengdu 610031;School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 * MERG

4、EFORMATSchool of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;School of Mechanics and Engineering, Southwe

5、st Jiaotong University, Chengdu 610031SET bkCompanyCHN 西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031 * MERGEFORMAT西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031SET bkPostcode 610031;610031; * MERGEFORM

6、AT610031;610031;SET bkMobile13980573140; * MERGEFORMA13980573140;SET bkTelphone028-87601442; * MERGEFORMA028-87601442;SET bkAddress 四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2607;四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2526A; * MERGEFORMAT四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2607;四川

7、省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2526A;SET bkEmail 1226535223;qianhuakan;171096293; * MERGEFORMAT1226535223;qianhuakan;171096293;SET bkIntroduction 董詩玉（1991-），男，碩士研究生，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系;闞前華（1980-），男，副教授，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系; * MERGEFORMAT董詩玉（1991-），男，碩士研究生，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系;闞前華（1980-），男，副教授，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系;SET bkAuthorCHN 董詩玉;闞前華;楊

8、強(qiáng)軍;康國政 * MERGEFORMAT董詩玉;闞前華;楊強(qiáng)軍;康國政SET bkAuthorEN Dong Shiyu;Kan Qianhua;Yang Qiangjun;Kang Guozheng * MERGEFORMATDong Shiyu;Kan Qianhua;Yang Qiangjun;Kang GuozhengSET bkContact 闞前華 * MERGEFORMAT闞前華SET bkFund 教育部博士點(diǎn)新教師基金（20120184120012） * MERGEFORMAT教育部博士點(diǎn)新教師基金（20120184120012）SET version 1.5 * MERGE

9、FORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET

10、 version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkReferencesInfo 1*|*期刊*|*Kazuyuki I. Numerical earthquake response analysis of bridge pier with superelastic seismic dampersJ. Structural Engineering/Earthquake Engineering, 1997, 14(1): 105-109.2*|*期刊*

11、|*Duerig T, Stockel D, Pelton A. An Overview of Nitinol Medical Applications J. Materials Science and Engineering A, 1999, 273-275: 149-160.3*|*期刊*|*Morgan N B. Medical shape memory alloy applicationsthe market and its products J. Materials Science and Engineering A, 2004, 378: 16-23.4*|*期刊*|*Auricc

12、hio F. A robust integration-algorithm for a finite-strain shape memory alloy super-elastic model. International Journal of Plasticity, 2001, 17(7): 971-990.5*|*期刊*|*莊起昌, 蔣守葆. 應(yīng)用鎳鈦形狀記憶合金框架式內(nèi)固定器治療鎖骨骨折J. 中華骨科雜志, 1997, 4: 268-269.6*|*期刊*|*Kang G Z, Kan Q H, Qian L M, Liu Y J. Ratchetting Deformation of

13、Superelastic and Shape memory NiTi Alloys. Mechanics of Materials, 2009, 41(2):139-153.7*|*期刊*|*Kang G Z, Kan, Q H, Zhang J, Sun Y F. Time-dependent ratcheting experiments of SS304 stainless steel. International Journal of Plasticity, 2006, 22(5): 858-894. * MERGEFORMAT1*|*期刊*|*Kazuyuki I. Numerical

14、 earthquake response analysis of bridge pier with superelastic seismic dampersJ. Structural Engineering/Earthquake Engineering, 1997, 14(1): 105-109.2*|*期刊*|*Duerig T, Stockel D, Pelton A. An Overview of Nitinol Medical Applications J. Materials Science and Engineering A, 1999, 273-275: 149-160.3*|*

15、期刊*|*Morgan N B. Medical shape memory alloy applicationsthe market and its products J. Materials Science and Engineering A, 2004, 378: 16-23.4*|*期刊*|*Auricchio F. A robust integration-algorithm for a finite-strain shape memory alloy super-elastic model. International Journal of Plasticity, 2001, 17(

16、7): 971-990.5*|*期刊*|*莊起昌, 蔣守葆. 應(yīng)用鎳鈦形狀記憶合金框架式內(nèi)固定器治療鎖骨骨折J. 中華骨科雜志, 1997, 4: 268-269.6*|*期刊*|*Kang G Z, Kan Q H, Qian L M, Liu Y J. Ratchetting Deformation of Superelastic and Shape memory NiTi Alloys. Mechanics of Materials, 2009, 41(2):139-153.7*|*期刊*|*Kang G Z, Kan, Q H, Zhang J, Sun Y F. Time-depen

17、dent ratcheting experiments of SS304 stainless steel. International Journal of Plasticity, 2006, 22(5): 858-894.SET bkAuthorsInfo |1|董詩玉|Dong Shiyu|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|董詩玉（1991-），男，碩士研究生，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系|四川省成都市二環(huán)路北一段11

18、1號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2607|610031|122653522315202871530*|2|闞前華|Kan Qianhua|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|闞前華（1980-），男，副教授，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系|四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2526A|610031|qianhuakan13980573140|3|楊強(qiáng)軍|Y

19、ang Qiangjun|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|171096293|4|康國政|Kang Guozheng|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031| * MERGEFORMAT|1|董詩玉|Dong Shiyu|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程

20、學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|董詩玉（1991-），男，碩士研究生，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系|四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2607|610031|122653522315202871530*|2|闞前華|Kan Qianhua|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong

21、 University, Chengdu 610031|闞前華（1980-），男，副教授，智能材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系|四川省成都市二環(huán)路北一段111號西南交大九里堤校區(qū)機(jī)械館2526A|610031|qianhuakan13980573140|3|楊強(qiáng)軍|Yang Qiangjun|西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|171096293|4|康國政|Kang Guozheng|西南交通大學(xué)力學(xué)與

22、工程學(xué)院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|SET bkTitleInfo 保持時(shí)間對鎳鈦形狀記憶合金單軸循環(huán)相變的影響|The effect of holding time on uniaxial cyclic phase transformation of NiTi shape memory alloy|教育部博士點(diǎn)新教師基金（20120184120012） * MERGEFORMAT保持時(shí)間對鎳鈦形狀記憶合金單軸循環(huán)相變的影響|The e

23、ffect of holding time on uniaxial cyclic phase transformation of NiTi shape memory alloy|教育部博士點(diǎn)新教師基金（20120184120012）（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031）SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT 摘要： FORMTEXT 對鎳鈦形狀記憶合金在不同保持時(shí)間下的循環(huán)變形行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：循環(huán)加載下，峰值和谷值載荷保持會促進(jìn)材料持續(xù)發(fā)生相變和逆相變，峰值保持時(shí)間越長，峰值應(yīng)變越大，

24、耗散能越大；峰值保持時(shí)間對殘余應(yīng)變的演化影響不大；進(jìn)而有谷值保持時(shí)間比沒有谷值保持時(shí)間的峰值應(yīng)變、殘余應(yīng)變和耗散能都大。發(fā)生在保持時(shí)間內(nèi)的相變應(yīng)變隨循環(huán)周次的增加逐漸減小，隨保持時(shí)間的增加而增加。當(dāng)加載的峰值應(yīng)力接近相變結(jié)束應(yīng)力時(shí)，保持時(shí)間的增加對馬氏體相變的促進(jìn)作用相對微弱。關(guān)鍵詞： FORMTEXT 形狀記憶合金；保持時(shí)間；馬氏體相變；應(yīng)力循環(huán)中圖分類號： FORMTEXT O348.3SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT FORMTEXT The effect of holding time on un

25、iaxial cyclic phase transformation of NiTi shape memory alloy FORMTEXT Dong Shiyu, FORMTEXT Kan Qianhua, FORMTEXT Yang Qiangjun, FORMTEXT Kang Guozheng(School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)Abstract: FORMTEXT The effect of holding time on cyclic deformati

26、on behavior of NiTi shape memory alloy (SMA) was experimentally studied. It is shown from experimental results that loading hold in peak and valley can promote phase transformation of SMA, peak strain and dissipation energy increase with an increased peak hold time; however, peak hold time has a lit

27、tle influence on the evolution of the residual strain. Moreover, a valley holding time can produce more peak strain, residual and dissipation energy than those of without holding time. The strain increment occurring in holding time decreases and increases with an increased number of cycles and holdi

28、ng time, respectively. When loading peak stress approaches the finish value of transformation stress, an increased hold time has a weak promotion on martensite phase transformation.Key words: FORMTEXT shape memory alloy; holding time; martensite phase transformation; stress cycling引言鎳鈦形狀記憶合金（SMA）作為一

29、種功能材料，由于其獨(dú)特的超彈性特性，大阻尼特性，耐腐蝕耐磨特性和生物相容性等，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、土木、化工和醫(yī)療器械等許多領(lǐng)域1-3。鎳鈦SMA在實(shí)際應(yīng)用中的工作環(huán)境多處于循環(huán)載荷下，且存在保載作用情形。例如，齲齒矯正絲4在矯正牙齒的過程中需要長期對牙齒施加恒載；血管支架、骨骼固定器等5SMA基元件中不僅存在載荷保持情形，還持續(xù)受到血液和骨骼的循環(huán)應(yīng)力加/卸載作用。超彈性和耗散能是鎳鈦SMA作為功能性材料的主要特征，在循環(huán)加載下，循環(huán)相變誘發(fā)的奧氏體和馬氏體界面塑性變形會阻礙逆相變的發(fā)生，使得材料的特征參數(shù)和相變行為發(fā)生變化6，最終導(dǎo)致材料功能性的退化甚至失效。對于金屬材料，保持時(shí)間對循環(huán)變形行

30、為的影響已引起很大的重視7.然而，對于載荷保持對鎳鈦SMA循環(huán)相變的影響，目前還鮮見相關(guān)報(bào)道。因此，十分有必要研究保持時(shí)間對鎳鈦SMA循環(huán)相變的影響。本文在應(yīng)力控制下對不同保持時(shí)間下鎳鈦SMA的循環(huán)相變行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。揭示了循環(huán)相變對保持時(shí)間大小、保持時(shí)間方式（峰值保持或峰谷值均保持）和峰值應(yīng)力等因素的依賴性。實(shí)驗(yàn)材料和過程實(shí)驗(yàn)材料為鎳鈦形狀記憶合金微管，外徑2.50.02mm，內(nèi)徑2.20.02mm。試樣總長度為40mm，其中，工作段長度20.0mm。奧氏體相變開始溫度As=-5，奧氏體相變結(jié)束溫度Af=10。實(shí)驗(yàn)溫度為23。采用MTS858-5KN試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在應(yīng)力控制下進(jìn)行，

31、加載方式為拉伸-保持-卸載。加載速率為8MPa/s。耗散能定義為每個(gè)循環(huán)中應(yīng)力和應(yīng)變圍成的面積，可通過對應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行積分獲得。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論圖1給出了不同峰值應(yīng)力下峰值保持時(shí)間為60s的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可見，材料的初始相變應(yīng)力隨著循環(huán)周次的增加逐漸降低。當(dāng)峰值應(yīng)力=440MPa時(shí)，應(yīng)變持續(xù)增加，并且隨著循環(huán)周次的增加，保持時(shí)間內(nèi)增加的應(yīng)變逐漸減少。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以解釋為：隨著循環(huán)周次的增加，SMA的相變開始應(yīng)力的不斷下降使得馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力下降，未進(jìn)入峰值應(yīng)力保持時(shí)馬氏體相變完成量不斷增加，從而導(dǎo)致發(fā)生在峰值保持時(shí)間內(nèi)的相變應(yīng)變減小。相對圖1（a）和（b）可知，當(dāng)=500MPa

32、時(shí)，材料在峰值應(yīng)力保持之前已完成了大部分馬氏體相變，在保持時(shí)間內(nèi)幾乎沒有相變發(fā)生，即保持時(shí)間對循環(huán)相變的影響表現(xiàn)出應(yīng)力相關(guān)性。（a） 峰值應(yīng)力為440MPa （b） 峰值應(yīng)力為500MPa(a) peak stress of 440MPa (b) peak stress of 500MPa圖1 保持時(shí)間為60s的不同峰值應(yīng)力下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 1 Cyclic stress-strain curves of holding time 60s at different peak stresses圖2給出了不同保持時(shí)間和峰值應(yīng)力下的峰值應(yīng)變與循環(huán)周次的關(guān)系曲線。由圖2(a)可見，隨著循

33、環(huán)周次的增加，峰值應(yīng)變逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。相同峰值應(yīng)力下，保持時(shí)間越長，峰值應(yīng)變越大。相同保持時(shí)間下，峰值應(yīng)力越大，峰值應(yīng)變也越大。這表明峰值應(yīng)變的演化與保持時(shí)間和峰值應(yīng)力均相關(guān)。當(dāng)=500MPa時(shí)，峰值應(yīng)變在初始循環(huán)下值較大，并且在幾個(gè)循環(huán)周次后便趨于穩(wěn)定，幾乎不再增加。這是由于材料在加載過程中已經(jīng)開始相變，在未達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)相變已經(jīng)進(jìn)行地比較充分。由圖2(b)可見，僅在峰值保持一定時(shí)間下的峰值應(yīng)變要明顯小于峰谷值都具有一定保持時(shí)間的峰值應(yīng)變，即谷值保持時(shí)間對峰值應(yīng)變演化也有一定的影響。（a） 不同峰值保持時(shí)間 （b） 有無谷值保持時(shí)間 (a) different peak holding

34、 time (b) with or without valley holding time圖2 不同峰值應(yīng)力和保持時(shí)間下的峰值應(yīng)變與循環(huán)周次的關(guān)系曲線Fig. 2 Curves of peak strain vs. number of cycles at different peak stresses and holding time圖3給出了不同保持時(shí)間和峰值應(yīng)力下的殘余應(yīng)變與循環(huán)周次的關(guān)系曲線。由圖3(a)可見，隨著循環(huán)周次的增加，殘余應(yīng)變逐漸累積，并趨于穩(wěn)定。當(dāng)峰值應(yīng)力一定時(shí)，不同保持時(shí)間下的殘余應(yīng)變基本相同，保持時(shí)間對殘余應(yīng)變的演化影響不大。相同保持時(shí)間下，峰值應(yīng)力越大，殘余應(yīng)變越大。

35、這表明殘余應(yīng)變的演化僅與峰值應(yīng)力有關(guān)，而與保持時(shí)間關(guān)系不大。由圖3(b)可見，僅在峰值保持一定時(shí)間下的殘余應(yīng)變要明顯小于峰谷值都具有一定保持時(shí)間的殘余應(yīng)變。（a） 不同峰值保持時(shí)間 （b） 有無谷值保持時(shí)間 (a) different peak holding time (b) with or without valley holding time圖3 不同峰值應(yīng)力和保持時(shí)間下的殘余應(yīng)變與循環(huán)周次的關(guān)系曲線Fig. 3 Curves of residual strain vs. number of cycles at different peak stresses and holding ti

36、me圖4給出了不同保持時(shí)間和峰值應(yīng)力下的保持時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的相變應(yīng)變與循環(huán)周次的關(guān)系曲線。由圖可見，隨著循環(huán)周次的增加，保持時(shí)間內(nèi)發(fā)生的相變應(yīng)變逐漸減小。相同峰值應(yīng)力下，保持時(shí)間越長，保持時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變越大，且隨著循環(huán)周次的增加，不同保持時(shí)間下產(chǎn)生的相變應(yīng)變逐漸達(dá)到近似相同的穩(wěn)定值；相同保持時(shí)間下，峰值應(yīng)力越大，保持時(shí)間內(nèi)應(yīng)變越小。以上結(jié)果表明保持時(shí)間內(nèi)的相變應(yīng)變的演化與保持時(shí)間和峰值應(yīng)力的大小相關(guān)。圖4 不同峰值應(yīng)力下保持時(shí)間內(nèi)的相變應(yīng)變隨循環(huán)周次變化曲線Fig. 4 Curves of strain at holding time vs. number of cycles at differ

37、ent peak stress 圖5給出了不同保持時(shí)間和峰值應(yīng)力下的耗散能與循環(huán)周次的關(guān)系曲線。由圖5(a)可見，相同峰值應(yīng)力下，保持時(shí)間越長，耗散能越大，并且隨著循環(huán)周次的增加逐漸增大。當(dāng)=500MPa時(shí)，耗散能初始值顯著大于=440MPa時(shí)耗散能初始值，并且隨著循環(huán)周次的增加逐漸降低。這是由于當(dāng)=500MPa時(shí)，在加載階段材料已經(jīng)發(fā)生相變，峰值保持時(shí)間的進(jìn)一步作用，使得材料相變非常充分，耗散能達(dá)到峰值；而隨著循環(huán)周次的增加，材料性能劣化導(dǎo)致耗散能的減小。這表明耗散能的演化與保持時(shí)間和峰值應(yīng)力均相關(guān)。由圖5(b)可見，僅在峰值保持一定時(shí)間下的耗散能要明顯小于峰谷值都具有一定保持時(shí)間的耗散能，即谷值保持時(shí)間能提高SMA的耗散能。（a） 不同峰值保持時(shí)間 （b） 有無谷值保持時(shí)間 (a) different peak holding time (b) with or without valley holding time圖5 不同峰值應(yīng)力和保持時(shí)間下的耗散能與循環(huán)周次的關(guān)系曲線Fig. 5 Curves of dissipation energy vs. number of cyc