形状记忆合金应力与应变实验研究＊

王 建,聂建红,杨学成

(二炮青州士官学校503教研室,山东青州 262500)

形状记忆合金应力与应变实验研究＊

王 建,聂建红,杨学成

(二炮青州士官学校503教研室,山东青州 262500)

Ni-Ti形状记忆合金由于有特殊的形状记忆效应和良好的机械性能成为受到很大关注的功能材料。尽管Ti-Ni合金已经被研究了很多年,至今,仍然有很多有趣的现象并没有得到很好的认识,尤其Ni-Ti合金在不同温度下的应力应变曲线的因素的研究上还有很多没有解释清楚的问题。为此笔者在文中详细介绍了Ni-Ti形状记忆合金的应力与应变关系实验的准备,实验过程,以及实验结果的获取。并对实验结果进行了分析总结,得出Ni-Ti形状记忆合金在不同应力及应变速度下的特性数据,为形状记忆合金的应用提供了必要的参考。

Ni-Ti形状记忆合金;应力与应变;形状记忆合金

1 特性参数拟定

为研究形状记忆合金在不同应变速率下的行为特性,需要寻找其特性参数的变化规律。本文采用一种新的方法来确定应变速率对材料相变行为特性的影响。主要思想是选择表征形状记忆合金相变过程的特性参数(如弹性模量、相变临界应力、相变曲线拟合直线的斜率等)为对象,比较不同应变速率下这些特性参数的变化。

形状记忆合金在温度TMf时的应力应变曲线如1.1所示,它们分别表现出典型的形状记忆效应和超弹性效应,图中的字母表示形状记忆合金特性参数,它们与相变过程密切相关,虚线为相变曲线的线性近似,数字序号表示加载和卸载过程中的各个重要过程。各参数的意义如下。

温度T

TM2DF),终了临界应力(σfTM2DF);可恢复残余应变(εrem);材料相变硬化的特性系数(kTM2DM);温度T>Mf时:奥氏体的弹性模量(EA);奥氏体向应力诱发马氏体相变的起始临界应力(σsA2DM);相变终了临界应力(σfA2DM);奥氏体向应力诱发马氏体相变的硬化特性系数(kA2DM);应力诱发马氏体的弹性模量(EM);应力诱发马氏体向奥氏体逆相变的起始临界应力(σsDM2A);应力诱发马氏体才开始向奥氏体进行逆相变,继续降低到(σfDM2A);逆相变起始点和终了点构成的直线B3B4的斜率(kDM2A)表达了卸载过程逆相变的硬化系数[1]。

图1 形状记忆合金应力应变曲线及特性参数定义

2 实验部分

2.1 试验设备与实验样品

为测量形状记忆合金丝在不同应变速率下的行为特性,实验选择岛津材料试验机(DCS-5000)。设定的应变速率分别为0.0005,0.001,0.005,0.01,0. 05,0.1s-1。

实验采用的记忆合金试样为50.8at%-N i-Ti丝,由上海钢研所提供,直径0.6mm,长度180mm,有效长度120mm。记忆效应丝和超弹性丝各为10个,记忆效应丝的相变温度分别为马氏体相变终了温度Mf=29℃,马氏体相变起始温度Ms=40℃,奥氏体相变起始温度As=50℃,奥氏体相变终了温度Af=61℃,热处理条件为:500℃,保温1小时,然后炉冷至室温;超弹性丝的相变温度点Af=5℃,热处理条件为:冷变形加工硬化后,通过450℃,30分钟时效处理。根据N i-Ti丝的相变温度,选择T1= 25℃,T2=65℃,其中T1为室温。

2.2 实验方法

实验中为了避免重复加载对丝性能的累积影响、不同试件初始性能的差异。将所有的N iTi丝试件都重复循环加载5次,然后卸载,将温度升高到Af以上,然后再冷却到室温T(T

实验的步骤主要有:

(1)把丝与两个三爪夹头连接固定,再让三爪夹头与试验机的上、下拉杆连接,在丝不受外力作用时,对装夹好的丝进行性能初始化,即以5℃/min把温度升高到Af点以上,再冷却到Mf以下,消除以前加载历程的影响。然后将系统力复位归零,锁紧夹头和拉杆;

(2)设定数据采集系统相关参数,同时设定好试验机控制箱的拉伸位移速率,该速率可由设定的速率换算得到,即V=ε×εmax×l0;

(3)以设定的应变速率加载,到达最大应变时再卸载;

(4)卸载后,保存数据。

(5)根据应变速率,重新设定拉伸速率,重复进行(1-4)的过程。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

3.1.1 T

在T1=25℃(Mf点以下),以不同应变速率(0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s),拉伸最大应变为5%,记忆效应丝的单向拉伸卸载实验的结果汇总如图2～4所示。

图3 不同应变速率下对应的特性参数比较

表1 T

图4 不同应变速率比值的对数坐标下,特性参数相对比值的比较图

从图1.2,1.3,1.4可以得到:应变速率为0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,它们对应的应力应变曲线差异很小,而0.05/s,0.1/s所对应的曲线在相变过程阶段差异较为明显,具体表现为:应变速率增大,起始终了临界应力增大,而且终了临界应力增大更为显著,相变的硬化程度增大,相变过程曲线有升高上扬的趋势,孪晶马氏体和应力诱发马氏体的杨氏模量变化很小。根据前面特性参数的定义,分别从每个应变速率下的应力与应变曲线图中求取各参数值平均后如错误!未找到引用源。所示。

表2 T>Af,不同应变速率下的超弹性行为特性参数

3.1.2 条件下实验结果

超弹性丝在T2=65℃,不同应变速率(0.0005 /s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s)下的单向拉伸卸载实验曲线如错误!未找到引用源。3所示,最大应变为5%,相应的特性参数如表2所示。

从图5～7可以得到:应变速率为0.0005, 0.001,0.005,0.01 s-1,它们对应的应力应变曲线差异较小,它们与0.05 s-1,0.1 s-1所对应的曲线在相变过程阶段差异较明显,具体表现为:应变速率增大,起始与终了临界应力略有增大,相变系数的数值几乎不变,相变过程曲线斜率基本相同,奥氏体的杨氏模量在加载和卸载过程因滞后而略有差异。

3.2 结果分析

根据实验结果,可以得到:

(1)随应变速率增大,两种特性行为中的各纯相的杨氏模量保持不变;

(2)拉伸过程相变起始和终了临界应力会增大,卸载过程相变起始和终了临界应力会减小,滞后环面积会增大;

(3)相变过程相变硬化系数在形状记忆效应行为中会增大,而在超弹性行为中基本不变。

原因分析如下:高应变速率下,加载相变过程应力出现增大,而卸载相变过程应力出现减小的现象,可以从应变速率变化,相变潜热和散热等方面来解释。由传热学理论可知:准静态条件下的拉伸卸载过程,由于小应变速率(10-3s-1以下),相变过程缓慢,拉伸过程试样产生的热量能够与周围环境及时进行交换,故可以近似认为是等温变化过程;而高应变速率(102s-1以上)下的拉伸卸载过程则可以认为是绝热过程。从小应变速率开始,随应变速率增大,相变产生的热量与环境交换热量的时间逐渐缩短,应变速率越大,相变过程越接近绝热过程[2-3]。根据形状记忆合金使用示差扫描量热仪(DSC)测量相变温度点的曲线,可以知道:马氏体向奥氏体相变过程需要吸热,而逆过程需要放热。导致相变应力增大的原因主要是温度变化和内部晶格的切变、孪晶两个因素。在拉伸卸载的相变过程中,温度的变化可由下式计算:

其中,b-转换系数,ρ-密度,CP-定压热容量,△H-相变潜热,可由DSC曲线来估算。因此,加载过程材料内部温度会升高,温度升高会引起相变应力相应的增大;卸载过程温度会降低,温度降低导致应力相应减小。另外,形状记忆合金在相变过程中,因晶格变体切变而引入孪晶和少量的位错,它们会阻止M相变和去孪晶的进行,应变速率越大,克服这些障碍所需要的能量越多,这个因素也会导致加载过程应力增大,卸载过程应力减小[4]。对一个试样在不同应变速率下拉伸卸载试验,相当于多次循环加载,加载时应力增大,卸载应力减小是否因为循环加载的原因所致?在同一应变速率条件下,随循环次数增加,相变阶段的应力在加载时又减小,卸载时基本不变的特点,可以知道:高应变速率下导致的加载应力增大,卸载应力减小的规律不会是加载循环次数增加而引起的。

4 结论

由于在不同应变速率下,NI-TI形状记忆合金的特性参数并不相同,因此在实际的应用过程中,我们必须考虑其应变速率的问题,并根据不同应变速率的数值进行相应的修正,才能保证实际控制的精确性。

REFERENCES

[1] 杨杰,吴月华.形状记忆合金及其应用.中国科学技术大学出版社,1993.5.

[2] 郭卫红,汪济奎.现代功能材料及其应用.化学工业出版社,2002.8.

[3] 李宁,文玉华等.Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C形状记忆合金回复应力的研究.功能材料,2008,29(6).

[4] 赵连城,蔡伟,郑玉峰.合金的形状记忆效应与超弹性.国防工业出版社,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

中国科学院国防科研创新基金

王建(1982-),男,安徽省,灵璧县人,工学硕士,二炮士官学校教员,主要从事智能机械与机器人,汽车维修电工专业的研究与教学工作,E-mail:usrc 009@hotmail.com