循环载荷下形状记忆合金丝力学性质试验研究
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Cu-Al-Mn形状记忆合金的热循环特性
曹玲飞;汪明朴;李周;徐贲;苏玉长
【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》
【年(卷),期】2002(007)001
【摘要】通过电阻-温度曲线测量、金相组织观察和X射线衍射分析研究了热循环对高M,点Cu-11.9Al-2.5Mn(质量分数,%)形状记忆合金马氏体相变的影响.研究结果显示该合金在热循环过程中相变点下降,但仍有较高的高温稳定性和耐热性.这是由于合金马氏体结构(β=89.6°)与N18R非常接近,抑制了M18R→N18R的转变过程与循环中位错积累共同作用的结果,而两者实质上都与有序度的改变有关.
【总页数】5页(P82-86)
【作者】曹玲飞;汪明朴;李周;徐贲;苏玉长
【作者单位】中南大学材料科学与工程系,长沙,410083;中南大学材料科学与工程系,长沙,410083;中南大学材料科学与工程系,长沙,410083;中南大学材料科学与工程系,长沙,410083;中南大学材料科学与工程系,长沙,410083
【正文语种】中文
【中图分类】TG146
【相关文献】
1.TiNi形状记忆合金丝在约束态热循环后的力学特性 [J], 高万夫
2.高耐热Cu-Al-Mn形状记忆合金热循环特性 [J], 李周;程建奕;汪明朴
3.Cu—Zn—Al形状记忆合金的热循环特性 [J], 汪明朴;徐根应
4.Cu-Al-Mn形状记忆合金低频内耗研究 [J], 王金;郝刚领;李育川;雷波;王伟国;王新福;汪聃
5.Cu-Al-Mn形状记忆合金低频内耗研究 [J], 王金;郝刚领;李育川;雷波;王伟国;王新福;汪聃
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变形记忆合金材料的制备及其力学性能研究随着科学技术的发展,合金材料的制备和应用越来越广泛,其中变形记忆合金材料是一种应用广泛、效果显著的合金材料。
本文将介绍变形记忆合金材料的制备及其力学性能研究。
一、变形记忆合金材料的概念及种类变形记忆合金材料,又称形状记忆合金材料,是指当外界作用力作用于合金材料时,经过处理后的材料能够发生形变,但一旦去除外界作用力,就能回复到原来的形状或状态。
变形记忆合金材料可以分为以下三类:1. 一次性变形记忆合金材料(一次SMAs):指在初次训练时,经过特殊的加工处理,样品可以发生一次性的形状记忆能力。
在这一次过程中,合金材料的形变量较大。
2. 多次性变形记忆合金材料(多次SMAs):指在初次训练时,通过特殊的加工处理,样品可以发生多次形状记忆能力。
在这一过程中,合金材料的形变量相对较小。
3. 超弹性形状记忆合金材料(SE-SMAs):是指有一定的形变能力的记忆合金材料,但它们具有超弹性的特点,即在发生形变过程中,不会像其他合金材料一样发生塑性变形。
二、变形记忆合金材料的制备变形记忆合金材料的制备通常可以分为以下几个步骤:1. 初次训练:将未经处理的合金材料经过初次训练,在高温下进行形状记忆能力的培养。
这个过程中需要使用特殊的加工工具和设备。
2. 压缩处理:将初次训练后的合金材料放入压缩机中,进行最终的形态调整和量体裁衣式的加工处理。
这个过程是关键的一步,其目的是为了让合金材料具有良好的形状记忆和超弹性。
3. 热处理:将压缩后的合金材料在高温下进行热处理,以使材料具有良好的热稳定性和力学性能。
4. 指定形状制作:将热处理后的合金材料进行指定形状的制作。
三、变形记忆合金材料的力学性能研究变形记忆合金材料具有良好的力学性能,包括良好的热稳定性、压缩性、弹性和耐腐蚀性等,这些性能是基于其微观结构和力学特性的特殊属性形成的。
其中,变形记忆合金材料的弹性和超弹性是其独特的力学性能之一。
超弹性形状记忆合金丝(NiTi )力学性能的试验研究左晓宝李爱群 倪立峰陈庆福(南京理工大学,东南大学)(东南大学)(江苏法尔胜集团公司)摘要:从土木工程振动控制的角度出发,通过NiT i 形状记忆合金丝处于超弹性状态下的力学性能试验,研究温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律,并给出了各力学性能参数与主要影响它的加载工况之间的关系。
试验和分析结果表明,处于超弹性状态下的形状记忆合金具有良好的耗能阻尼性能、较大的可恢复变形能力和很高的结构驱动能力,可满足土木工程结构振动控制的需要。
关键词:形状记忆合金;智能材料;超弹性;力学性能;振动控制中图分类号:T U31113,P3151976 文献标识码:A 文章编号:10002131X (2004)1220010207AN EXPERIMENTA L STU DY ON THE MECHANICA L BEHAVIOR OF SUPERE LASTIC NiTiSHAPE MEMOR Y A LLOY WIRESZuo Xiaobao1,2 Li Aiqun 2 Ni Lifeng 2 Chen Qingf u3(1.Nanjing University of Science and T echnology ,2.S outheast University ,3.Jiangsu Fasten G roup C om pany )Abstract :An experimental study is com pleted on the mechanical behavior of specimens of superelastic NiT i shape mem ory al 2loy (S M A )wires for vibration control in civil engineering.T em perature ,strain rate ,strain am plitude and cyclic number are considered as test parameters to investigate their effects on the mechanical parameters such as phase trans formation stress ,ener 2gy dissipation ,effective stiffness and residual strain.The relation ship between every mechanical parameter and its correspond 2ing loading factor is proposed.The experimental results show that the characteristics of the superelastic S M A wire ,such as high energy dissipation ,large restoring deformation and high driving force ,are suitable for vibration control in engineering.K eyw ords :shape mem ory alloy ;smart material ;superelasticity ;mechanical behavior ;vibration control收稿日期:2002212223,收到修改稿日期:2004205210国家自然基金重点项目:(50038010)1 引 言结构的振动控制是当今土木工程界关心的重点问题之一,人们总是在探求各种方法来减轻振动给工程结构带来的危害。
形状记忆合金驱动器的力学性能
王社良;薛凌云;苏三庆
【期刊名称】《西安建筑科技大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】1999(31)3
【摘要】基于形状记忆合金(SMA)材料的Brinson本构关系,研究了SMA驱动器在自由冷却和强制冷却等两种热交换形式下的动力响应问题,探讨了SMA丝在恒载及荷载变化时完成正逆相变所需用的时间.研究结果表明,热交换方式对完成相变时间有较大影响,并且增加散热面积和提高热交换速率均可有效地加速相变的完成.最后,本文还简单讨论了影响SMA驱动器响应时间的几个因素和改进方法.
【总页数】4页(P233-236)
【关键词】形状记忆合金;驱动器;相变;热交换;动力响应
【作者】王社良;薛凌云;苏三庆
【作者单位】西安建筑科技大学建筑工程系;太原钢铁(集团)建设有限公司第三工程公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB657.5;TH113.1
【相关文献】
1.TiNiMo形状记忆合金的相变、形状记忆效应与力学性能研究 [J], 丁振;刘福顺;李岩;徐惠彬
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3.退火温度对Ti-50.8Ni-0.1Zr形状记忆合金丝记忆行为和力学性能的影响 [J], 叶俊杰;贺志荣;张坤刚;冯辉
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5.退火温度对Ti⁃50.8Ni⁃0.1Zr形状记忆合金丝记忆行为和力学性能的影响 [J], 叶俊杰;贺志荣;张坤刚;冯辉
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形状记忆合金的力学性能与本构模型研究一、内容综述形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA)是一类具有形状记忆效应(Shape Memory Effect, SMA)和超弹性(Superelasticity)特性的先进功能材料。
自20世纪70年代以来,形状记忆合金在生物医学、航空航天、电子器件等领域得到了广泛关注和应用。
本文从形状记忆合金的力学性能与本构模型两个方面进行综述,重点介绍近年来在这些领域的研究进展与挑战,并展望未来的发展趋势。
在力学性能方面,主要讨论了形状记忆合金的高温马氏体相变特性、超弹性行为、应力诱导相变等现象。
高温马氏体相变使得SMA在温度变化时发生可逆的形状记忆效应,而超弹性则赋予了材料在受到力的作用下发生显著形变的能力,同时在外力消失后又能够恢复到原始形状。
这些独特的力学性能使得SMA在各应用领域展现出了巨大的潜力。
在本构模型方面,重点介绍了各向同性、非各向同性以及各向异性等类型的本构模型。
各向同性本构模型可以描述形状记忆合金在单一取向下的力学行为,而非各向同性本构模型则需要考虑材料的各向异性效应,以更准确地描述其在不同方向上的力学响应。
一些学者还提出了包含塑性和蠕变效应在内的多尺度本构模型,以更全面地反映形状记忆合金在实际工程应用中的复杂力学行为。
值得注意的是,虽然目前对形状记忆合金的研究已取得了显著进展,但仍存在诸多挑战和问题需要进一步研究和解决。
如何提高材料的塑性以提高超弹性的使用范围,如何降低材料在长时间加载过程中的疲劳损伤等。
未来的研究应继续关注形状记忆合金在力学性能与本构模型方面的研究进展,并着眼于解决现有的问题和挑战,以实现其在各领域的广泛应用和更高性能表现。
1. 形状记忆合金的发展和应用形状记忆合金(SMA)是一种具有独特力学性能的材料,能够在受到外部刺激(如温度、电流、磁场等)时发生形状的改变和恢复。
这种材料在许多领域都有着广泛的应用前景,如航空航天、生物医学、机器人科学以及精密仪器等。
形状记忆合金的本构模型及试验研究一、本文概述本文旨在深入研究和探讨形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMAs)的本构模型及其相关试验研究。
形状记忆合金作为一种特殊的材料,具有独特的形状记忆效应和超弹性,因此在航空航天、医疗器械、智能结构等多个领域具有广泛的应用前景。
本文首先将对形状记忆合金的基本特性进行简要介绍,包括其形状记忆效应、超弹性以及相变行为等。
接着,本文将重点阐述形状记忆合金的本构模型。
本构模型是描述材料力学行为的重要工具,对于形状记忆合金而言,其本构模型需要考虑材料的相变行为、温度效应、应变率效应等多个因素。
本文将详细介绍几种常用的形状记忆合金本构模型,包括基于热力学原理的本构模型、基于细观力学的本构模型以及基于神经网络的本构模型等,并对它们的优缺点进行比较和分析。
在试验研究方面,本文将介绍相关的形状记忆合金试验方法和实验结果。
试验内容包括材料的相变行为测试、力学性能测试、形状记忆效应测试等。
通过对试验数据的分析和处理,可以验证本构模型的准确性和可靠性,并为形状记忆合金的应用提供理论支持和实践指导。
本文将对形状记忆合金的未来研究方向和应用前景进行展望。
随着科技的不断发展,形状记忆合金的应用领域将会更加广泛,对其性能的要求也将更加严格。
因此,深入研究形状记忆合金的本构模型和试验特性,对于推动其应用和发展具有重要意义。
二、形状记忆合金的基本特性形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMA)是一类具有独特形状记忆效应的金属材料。
它们在经历一定的塑性变形后,能够在适当的热或机械刺激下恢复到原始形状。
这种特性使得形状记忆合金在航空航天、医疗器械、汽车工程等领域具有广泛的应用前景。
形状记忆效应:形状记忆合金最为突出的特性是其能够在一定条件下恢复原始形状。
这种效应主要源于合金内部发生的马氏体相变。
当合金受到外力作用而发生塑性变形时,其内部会发生马氏体相变,形成稳定的马氏体结构。
循环载荷下形状记忆合金丝力学性质试验研究张振华;徐平;王钦亭;绳飘【摘要】通过不同变形速率下的形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)丝的加卸载循环试验,研究了循环次数、变形速率对SMA力学性质的影响.结果表明:加卸载循环试验中SMA丝的相变应力、残余应变、等效阻尼比等参数均随着循环次数的增加而减小,SMA各力学参数随循环次数的持续增加趋于稳定;随变形速率增加,SMA马氏体正相变应力和等效阻尼比增加,马氏体逆相变应力逐渐减小,当速率持续增加至一定范围时,SMA的力学性质对速率的敏感性降低;加卸载循环训练期间的变形速率对稳定后SMA的力学性质影响不显著.此结果可为SMA的循环训练和SMA阻尼器的设计提供参考.【期刊名称】《河南理工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2015(034)006【总页数】6页(P872-877)【关键词】形状记忆合金;变形速率;循环载荷;力学性质【作者】张振华;徐平;王钦亭;绳飘【作者单位】河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TG115.5+20 引言在土木工程领域中,抗震减震是必须要解决的问题[1-2],利用结构振动控制的概念,选择合适有效元件构造阻尼器能够有效地降低结构在地震作用下的动力学响应,从而达到结构减震的目的。
近年来,随着SMA这种智能材料的问世和发展,利用超弹性形状记忆合金的阻尼效应和自复位能力构造阻尼器进行结构震动控制已成为一个研究热点[3-5]。
为了能有效地利用超弹性SMA的阻尼耗能和自复位能力,对SMA力学性能的研究有着比较重要意义。
地震载荷是典型的动载荷,会造成建筑结构不同程度的动力学响应,为了更好将SMA应用在建筑结构的抗震设计中,研究应变速率和循环次数对SMA丝力学性能的影响对SMA阻尼器的设计是必要的。
Liu等研究应变速率对SMA力学性质的影响,结果表明,随着应变率的持续升高,达到在一定范围内,超弹性不再依赖于应变速率[6]。
Nemat-Nasser的试验研究表明,在一定应变速率下,SMA 的伪弹性会随着应变速率增加而增加,但温度对伪弹性的影响更加显著。
而在非常高的应变速率下,SMA的力学性质和钢材类似[7]。
钱辉试验测试NiTi丝在不同应变率下的力学性能,建立了应力增量与应变率的关系方程,在Graesser模型的基础上提出了考虑应变速率的一维本构模型[8-9]。
钱辉和Bora Gencturka 通过试验研究应变速率、尺寸、温度对超弹性的影响,研究表明,温度一定时在较高的应变速率和较小截面直径下SMA具有良好的伪弹性[10-11]。
赵祥和王伟等也研究不同应变速率下SMA加卸载循环试验,结果也验证加载速率对SMA力学性质的影响[12-13]。
以往的研究共同表明,随着加卸载循环次数的增加,SMA耗能能力降低,而残余变形逐步增加,两者最后都趋于稳定。
对于地震当中的阻尼元件而言,阻尼耗能能力越高减振效果越好。
在满足减振要求的情况下,要使结构有足够小的残余变形,便于结构修复。
而未经训练的SMA具有较高的耗能能力,但是具有一定的残余变形;而训练后的SMA具有较小的耗能能力和残余变形。
在残余变形满足设计要求的情况,设计者可以利用未经循环训练的SMA提供高的耗能能力来进行有效振动控制在理论上是可行的。
因此,研究动载荷变形速率对加卸载循环训练过程中SMA 力学性质的影响规律对SMA阻尼器的设计是有现实意义的。
而在以往的文献更侧重于研究加载速率对训练稳定后SMA力学性质的影响,而忽略研究应变速率对SMA循环训练过程中力学性质的影响。
基于此,本文就循环训练时的变形速率对训练过程和稳定后SMA力学特性的影响规律展开试验研究。
1 SMA力学特性试验1.1 试验材料选择与处理本次试验选用西安赛特公司生产的直径为0.5 mm的Ni-Ti(Ni 49%,Ti 51%)形状记忆合金丝材,通过示差扫描热量计,测得SMA的相变温度见表1。
把合金丝制作成长度为200 mm,标距为100 mm的试件。
试验前将试件放入沸水中浸泡5 min,然后自然冷却至室温下(试验时室温是10℃左右,大于表1中给出的奥氏体相变结束Af,从而确保SMA试件在常温下能完全处于奥氏体相状态)。
表1 SMA材料的相变温度Tab.1 The phase transition temperature of SMA material相变参数温度/℃Ms -42 Mf -28 As -11 Af 21.2 试验方法与过程本次试验是在电子万能试验机上进行,其中试验加载力传感器量程为0~500 N。
应力和应变根据试验实际所用的SMA丝的直径和标距换算得到,试验过程中采用等变形控制方法控制变形速率。
为研究不同变形速率下加载卸载循环训练对SMA 超弹性力学行为影响机理,在室温下按如下方案进行试验。
取8根等长度SMA试件,依次编号为B,C,D,E,F,G,H,I,对8根不同编号的SMA试件分别做不同加载速率下循环训练试验。
设定应变幅值为8%,8根丝分别在加载速率1,2,4,6,8,10,12,14 mm/min下进行加卸载循环训练15次。
1.3 典型SMA应力-应变曲线及相关参数SMA典型的应力-应变曲线如图1所示,整个曲线可分为6个组成部分:(1)OA段为奥氏体弹性拉伸阶段;(2)AB段为应力诱发奥氏体转变为马氏体阶段;(3)BC段为马氏体弹性拉伸阶段;(4)CD段为马氏体卸载回复阶段;(5)DE段为应力诱发马氏体转变为奥氏体阶段;(6)EF段为奥氏体卸载回复阶段。
OA段中E A为奥氏体拉伸阶段的弹性模量,AB段中E AM为奥氏体转变为马氏体阶段混合组织的弹性模量,BC段中E M为马氏体拉伸阶段的弹性模量,DE段中E MA为马氏体转变为奥氏体阶段混合组织的弹性模量。
εres为一次加载卸载循环结束后的残余应变。
其中4个应力σMs,σMf,σAs,σAf分别为马氏体相变开始应力、马氏体相变结束应力、马氏体逆相变开始应力、马氏体逆相变结束应力。
σu为极限拉应力,Ks为极限应力处的割线刚度。
单周期加卸载循环耗能量WD(等于图1中OABCDEF所围成的面积)。
割线模量Ks的计算公式为为了研究SMA的耗能能力,特定义极限拉应力下SMA加卸载循环的等效阻尼比为ξeq,其计算公式为2 试验结果讨论与分析2.1 变形速率对SMA加卸循环过程中力学性质的影响SMA丝加卸载循环训练的典型应力应变曲线如图2所示。
从图2可以看出:随着循环训练次数增加,加载阶段正相变平台和逆相变阶段屈服平台均逐渐降低,循环训练初期降低幅度较大,后期降低幅度较小逐渐趋于平缓。
而循环训练过程中奥氏体弹性拉伸阶段弹性模量E A和马氏体弹性拉伸阶段弹性模量E M几乎没有变化。
为了了解不同变形速率对加卸载循环训练过程中SMA力学性质的影响,图3给出了不同变形速率下SMA主要力学参数与循环次数的关系曲线。
图3表明,各变形速率下SMA丝的四个相变应力σMs,σMf,σAs,σAf、单次加卸载的残余应变εres和等效阻尼比ξeq均随着循环次数的增加而减小,循环初期减小幅度较大,后期减小幅度较小,最后相变应力趋于稳定。
相同加卸载循环次数下,两个正相变应力(σMs,σMf)以及残余应变εres、等效阻尼比ξeq随着加载速率的增加而增加,而两个逆相变应力(σAs,σAf)与之相反,而随着加载速率的继续增加,变形速率的影响逐渐减弱。
2.2 变形速率对稳定后SMA力学性质的影响图4为训练稳定后的SMA在不同变形速率下加卸载的应力应变曲线。
由图4可知,随着变形速率的增大,加载阶段马氏体相变平台呈现明显的上升趋势、卸载阶段马氏体逆相变平台有一定的下降趋势,滞后环的面积增大。
为了更进一步分析加载速率的影响,图5给出了相变应力和SMA加卸载等效阻尼比与变形速率之间的关系。
图5(a)表明随着加载速率增加,正向马氏体相变应力随着变形速率的增加而增加,逆相变应力随加载速率的增加而减小,随着变形速率的持续增加,相变应力趋于稳定。
根据图1所示,4个相变应力是影响SMA加卸载循环耗能量的4个关键应力,相变应力的上述变化会导致循环耗能能力随加载速率增加而增加,最后趋于稳定。
而由公式(2)计算出的等效阻尼比也随加载速率的增加而增加,如图5(b)所示。
2.3 循环训练时的应变速率对稳定后SMA力学性质的影响为了考察加卸载循环训练的变形速率对稳定后SMA力学性质的影响,特对经过循环训练15次后力学性质达到稳定的8根丝B,C,D,E,F,G,H,I,再次在同一变形速率5 mm/min,应变幅值为8%的条件下分别进行加卸载循环,图6给出了8条不同变形速率训练稳定后的SMA再次在同一加卸载试验的应力-应变曲线,图6显示这八条应力-应变曲线差别不明显。
图7中给出的应力-应变曲线的相变应力、等效阻尼比与训练时的变形速率的关系,结果进一步显示了循环训练时的变形速率对稳定后的SMA的力学性质影响不显著。
3 结论(1)随着加卸载循环次数的增加,相变应力、滞后耗能量、加卸载残余应变、等效阻尼比逐步减小,随加载次数的持续增加,上述力学参数会达到稳定状态。
(2)在相同循环次数下,随着变形速率的增加,正向相变转换应力和等效阻尼比增加,逆向相变转换应力减小,当变形速率达到一定范围后,各参数对变形速率的变化不再敏感。
(3)随着应变速率增加,形状记忆合金丝力学性质达到稳定所需的循环次数减小。
在循环训练时的变形速率对稳定后SMA的力学性质影响不显著。
因此,研究者可在较高变形速率下对SMA的进行加卸载循环训练,提高训练效率。
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