形狀記憶合金應(yīng)力與應(yīng)變實(shí)驗(yàn)研究＊

王 建,聶建紅,楊學(xué)成

(二炮青州士官學(xué)校503教研室,山東青州 262500)

形狀記憶合金應(yīng)力與應(yīng)變實(shí)驗(yàn)研究＊

王 建,聶建紅,楊學(xué)成

(二炮青州士官學(xué)校503教研室,山東青州 262500)

Ni-Ti形狀記憶合金由于有特殊的形狀記憶效應(yīng)和良好的機(jī)械性能成為受到很大關(guān)注的功能材料。盡管Ti-Ni合金已經(jīng)被研究了很多年,至今,仍然有很多有趣的現(xiàn)象并沒有得到很好的認(rèn)識,尤其Ni-Ti合金在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的因素的研究上還有很多沒有解釋清楚的問題。為此筆者在文中詳細(xì)介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備,實(shí)驗(yàn)過程,以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取。并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié),得出Ni-Ti形狀記憶合金在不同應(yīng)力及應(yīng)變速度下的特性數(shù)據(jù),為形狀記憶合金的應(yīng)用提供了必要的參考。

Ni-Ti形狀記憶合金;應(yīng)力與應(yīng)變;形狀記憶合金

1 特性參數(shù)擬定

為研究形狀記憶合金在不同應(yīng)變速率下的行為特性,需要尋找其特性參數(shù)的變化規(guī)律。本文采用一種新的方法來確定應(yīng)變速率對材料相變行為特性的影響。主要思想是選擇表征形狀記憶合金相變過程的特性參數(shù)(如彈性模量、相變臨界應(yīng)力、相變曲線擬合直線的斜率等)為對象,比較不同應(yīng)變速率下這些特性參數(shù)的變化。

形狀記憶合金在溫度TMf時的應(yīng)力應(yīng)變曲線如1.1所示,它們分別表現(xiàn)出典型的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng),圖中的字母表示形狀記憶合金特性參數(shù),它們與相變過程密切相關(guān),虛線為相變曲線的線性近似,數(shù)字序號表示加載和卸載過程中的各個重要過程。各參數(shù)的意義如下。

溫度T

TM2DF),終了臨界應(yīng)力(σfTM2DF);可恢復(fù)殘余應(yīng)變(εrem);材料相變硬化的特性系數(shù)(kTM2DM);溫度T>Mf時:奧氏體的彈性模量(EA);奧氏體向應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的起始臨界應(yīng)力(σsA2DM);相變終了臨界應(yīng)力(σfA2DM);奧氏體向應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的硬化特性系數(shù)(kA2DM);應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的彈性模量(EM);應(yīng)力誘發(fā)馬氏體向奧氏體逆相變的起始臨界應(yīng)力(σsDM2A);應(yīng)力誘發(fā)馬氏體才開始向奧氏體進(jìn)行逆相變,繼續(xù)降低到(σfDM2A);逆相變起始點(diǎn)和終了點(diǎn)構(gòu)成的直線B3B4的斜率(kDM2A)表達(dá)了卸載過程逆相變的硬化系數(shù)[1]。

圖1 形狀記憶合金應(yīng)力應(yīng)變曲線及特性參數(shù)定義

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)樣品

為測量形狀記憶合金絲在不同應(yīng)變速率下的行為特性,實(shí)驗(yàn)選擇島津材料試驗(yàn)機(jī)(DCS-5000)。設(shè)定的應(yīng)變速率分別為0.0005,0.001,0.005,0.01,0. 05,0.1s-1。

實(shí)驗(yàn)采用的記憶合金試樣為50.8at%-N i-Ti絲,由上海鋼研所提供,直徑0.6mm,長度180mm,有效長度120mm。記憶效應(yīng)絲和超彈性絲各為10個,記憶效應(yīng)絲的相變溫度分別為馬氏體相變終了溫度Mf=29℃,馬氏體相變起始溫度Ms=40℃,奧氏體相變起始溫度As=50℃,奧氏體相變終了溫度Af=61℃,熱處理?xiàng)l件為:500℃,保溫1小時,然后爐冷至室溫;超彈性絲的相變溫度點(diǎn)Af=5℃,熱處理?xiàng)l件為:冷變形加工硬化后,通過450℃,30分鐘時效處理。根據(jù)N i-Ti絲的相變溫度,選擇T1= 25℃,T2=65℃,其中T1為室溫。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中為了避免重復(fù)加載對絲性能的累積影響、不同試件初始性能的差異。將所有的N iTi絲試件都重復(fù)循環(huán)加載5次,然后卸載,將溫度升高到Af以上,然后再冷卻到室溫T(T

實(shí)驗(yàn)的步驟主要有:

(1)把絲與兩個三爪夾頭連接固定,再讓三爪夾頭與試驗(yàn)機(jī)的上、下拉桿連接,在絲不受外力作用時,對裝夾好的絲進(jìn)行性能初始化,即以5℃/min把溫度升高到Af點(diǎn)以上,再冷卻到Mf以下,消除以前加載歷程的影響。然后將系統(tǒng)力復(fù)位歸零,鎖緊夾頭和拉桿;

(2)設(shè)定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),同時設(shè)定好試驗(yàn)機(jī)控制箱的拉伸位移速率,該速率可由設(shè)定的速率換算得到,即V=ε×εmax×l0;

(3)以設(shè)定的應(yīng)變速率加載,到達(dá)最大應(yīng)變時再卸載;

(4)卸載后,保存數(shù)據(jù)。

(5)根據(jù)應(yīng)變速率,重新設(shè)定拉伸速率,重復(fù)進(jìn)行(1-4)的過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 T

在T1=25℃(Mf點(diǎn)以下),以不同應(yīng)變速率(0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s),拉伸最大應(yīng)變?yōu)?%,記憶效應(yīng)絲的單向拉伸卸載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果匯總?cè)鐖D2～4所示。

圖3 不同應(yīng)變速率下對應(yīng)的特性參數(shù)比較

表1 T

圖4 不同應(yīng)變速率比值的對數(shù)坐標(biāo)下,特性參數(shù)相對比值的比較圖

從圖1.2,1.3,1.4可以得到:應(yīng)變速率為0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,它們對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線差異很小,而0.05/s,0.1/s所對應(yīng)的曲線在相變過程階段差異較為明顯,具體表現(xiàn)為:應(yīng)變速率增大,起始終了臨界應(yīng)力增大,而且終了臨界應(yīng)力增大更為顯著,相變的硬化程度增大,相變過程曲線有升高上揚(yáng)的趨勢,孿晶馬氏體和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的楊氏模量變化很小。根據(jù)前面特性參數(shù)的定義,分別從每個應(yīng)變速率下的應(yīng)力與應(yīng)變曲線圖中求取各參數(shù)值平均后如錯誤!未找到引用源。所示。

表2 T>Af,不同應(yīng)變速率下的超彈性行為特性參數(shù)

3.1.2 條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超彈性絲在T2=65℃,不同應(yīng)變速率(0.0005 /s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s)下的單向拉伸卸載實(shí)驗(yàn)曲線如錯誤!未找到引用源。3所示,最大應(yīng)變?yōu)?%,相應(yīng)的特性參數(shù)如表2所示。

從圖5～7可以得到:應(yīng)變速率為0.0005, 0.001,0.005,0.01 s-1,它們對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線差異較小,它們與0.05 s-1,0.1 s-1所對應(yīng)的曲線在相變過程階段差異較明顯,具體表現(xiàn)為:應(yīng)變速率增大,起始與終了臨界應(yīng)力略有增大,相變系數(shù)的數(shù)值幾乎不變,相變過程曲線斜率基本相同,奧氏體的楊氏模量在加載和卸載過程因滯后而略有差異。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得到:

(1)隨應(yīng)變速率增大,兩種特性行為中的各純相的楊氏模量保持不變;

(2)拉伸過程相變起始和終了臨界應(yīng)力會增大,卸載過程相變起始和終了臨界應(yīng)力會減小,滯后環(huán)面積會增大;

(3)相變過程相變硬化系數(shù)在形狀記憶效應(yīng)行為中會增大,而在超彈性行為中基本不變。

原因分析如下:高應(yīng)變速率下,加載相變過程應(yīng)力出現(xiàn)增大,而卸載相變過程應(yīng)力出現(xiàn)減小的現(xiàn)象,可以從應(yīng)變速率變化,相變潛熱和散熱等方面來解釋。由傳熱學(xué)理論可知:準(zhǔn)靜態(tài)條件下的拉伸卸載過程,由于小應(yīng)變速率(10-3s-1以下),相變過程緩慢,拉伸過程試樣產(chǎn)生的熱量能夠與周圍環(huán)境及時進(jìn)行交換,故可以近似認(rèn)為是等溫變化過程;而高應(yīng)變速率(102s-1以上)下的拉伸卸載過程則可以認(rèn)為是絕熱過程。從小應(yīng)變速率開始,隨應(yīng)變速率增大,相變產(chǎn)生的熱量與環(huán)境交換熱量的時間逐漸縮短,應(yīng)變速率越大,相變過程越接近絕熱過程[2-3]。根據(jù)形狀記憶合金使用示差掃描量熱儀(DSC)測量相變溫度點(diǎn)的曲線,可以知道:馬氏體向奧氏體相變過程需要吸熱,而逆過程需要放熱。導(dǎo)致相變應(yīng)力增大的原因主要是溫度變化和內(nèi)部晶格的切變、孿晶兩個因素。在拉伸卸載的相變過程中,溫度的變化可由下式計(jì)算:

其中,b-轉(zhuǎn)換系數(shù),ρ-密度,CP-定壓熱容量,△H-相變潛熱,可由DSC曲線來估算。因此,加載過程材料內(nèi)部溫度會升高,溫度升高會引起相變應(yīng)力相應(yīng)的增大;卸載過程溫度會降低,溫度降低導(dǎo)致應(yīng)力相應(yīng)減小。另外,形狀記憶合金在相變過程中,因晶格變體切變而引入孿晶和少量的位錯,它們會阻止M相變和去孿晶的進(jìn)行,應(yīng)變速率越大,克服這些障礙所需要的能量越多,這個因素也會導(dǎo)致加載過程應(yīng)力增大,卸載過程應(yīng)力減小[4]。對一個試樣在不同應(yīng)變速率下拉伸卸載試驗(yàn),相當(dāng)于多次循環(huán)加載,加載時應(yīng)力增大,卸載應(yīng)力減小是否因?yàn)檠h(huán)加載的原因所致?在同一應(yīng)變速率條件下,隨循環(huán)次數(shù)增加,相變階段的應(yīng)力在加載時又減小,卸載時基本不變的特點(diǎn),可以知道:高應(yīng)變速率下導(dǎo)致的加載應(yīng)力增大,卸載應(yīng)力減小的規(guī)律不會是加載循環(huán)次數(shù)增加而引起的。

4 結(jié)論

由于在不同應(yīng)變速率下,NI-TI形狀記憶合金的特性參數(shù)并不相同,因此在實(shí)際的應(yīng)用過程中,我們必須考慮其應(yīng)變速率的問題,并根據(jù)不同應(yīng)變速率的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的修正,才能保證實(shí)際控制的精確性。

REFERENCES

[1] 楊杰,吳月華.形狀記憶合金及其應(yīng)用.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1993.5.

[2] 郭衛(wèi)紅,汪濟(jì)奎.現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社,2002.8.

[3] 李寧,文玉華等.Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C形狀記憶合金回復(fù)應(yīng)力的研究.功能材料,2008,29(6).

[4] 趙連城,蔡偉,鄭玉峰.合金的形狀記憶效應(yīng)與超彈性.國防工業(yè)出版社,2007.1.

Research of Stress and Stra in Exper iment on ShapeM emory Alloy

WANG Jian,N IE Jian-hong,YANG Xue-cheng
(Teaching&Research Office of 503,The Sencond Artillery PettyOfficer School,Shandong,Qingzhou,262500,China)

Ni-Ti shape memory alloy is an attractive functionalmaterialwhich exhibits unique shape memory effect and good mechanical properties.It has been studied formany years,but there are stillmany interesting problems to be clarified,especially the stress -strain curves on surface oxidation and on cycling.This paper describes the Ni-Ti shape memory alloy stress and strain test preparation,test process and resultsof the acquisition.Experimental results are analyzed and summarized,obtainedNi-Ti shapememory alloys under different stress and strain rate characteristicsof data for the application of shapememory alloy to provide the necessary information.

Ni-Ti shape memory alloy;stress and strain;shape memory alloy

TD322.4

:A

:1009-3842(2010)03-0052-04

2010-05-17

中國科學(xué)院國防科研創(chuàng)新基金

王建(1982-),男,安徽省,靈璧縣人,工學(xué)碩士,二炮士官學(xué)校教員,主要從事智能機(jī)械與機(jī)器人,汽車維修電工專業(yè)的研究與教學(xué)工作,E-mail:usrc 009@hotmail.com