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形状记忆合金热力学行为的模拟
形状记忆合金热力学行为的模拟
基于塑性流动法则和马氏体相变动力学,引入马氏体体积分数和相变应力间的关系,对形状记忆合金的热力学行为进行了模拟,算例表明本文提出的形状记忆合金本构模型与实验结果比较吻合,且实施起来简单易行;最后还用该本构模型进行了有限元分析.
作者：刘爱荣潘亦苏周本宽作者单位：西南交通大学,工程科学研究院,四川,成都,610031 刊名：计算力学学报 ISTIC EI PKU 英文刊名：CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL MECHANICS 年，卷(期)：2002 19(1) 分类号：O24.82 TG139+.6 关键词：形状记忆合金本构关系相变有限元。
TiNi形状记忆合金的马氏体观察及微观力学性能分析ΞOBSERVATION OF MARTENSITE AN D ANALYSIS OF MICR O2MECHANICALPR OPERTIES IN TiNi SHAPE MEMOR Y ALLOY何健英ΞΞ 高克玮 褚武扬 乔利杰(北京科技大学材料物理系,北京100083)HE JianY ing G AO K eWei CHU WuY ang QI AO LiJie(Department o f Materials Physics,Univer sity o f Science and Technology Beijing,Beijing100083,China)摘要 利用金相显微镜和纳米压痕仪观察T iNi形状记忆合金的应力诱发马氏体和氢致马氏体形貌,并分析T iNi合金不同组织的微观力学性能。
其中应力诱发马氏体呈板条状突起,而氢致马氏体和氢化物呈不规则突起。
同时发现T i2 Ni合金充氢组织的微观硬度和弹性模量最高,而马氏体组织的硬度高于奥氏体相,其弹性模量低于奥氏体相。
关键词 TiNi 应力诱发马氏体 氢致马氏体中图分类号 T B381Abstract The topography of stress2induced martensite and hydrogen2induced martensite have been observed in T iNi shape mem ory alloy.Martensite was found to appear when the specimen were loaded or were charged with hydrogen.The stress2induced martensite looked like battens,and the hydrogen2induced martensite was the irregular blocks.The hardness and elastic m odulus of T iNi shape mem2 ory alloy have been measured by using nanoindentation method.The results showed charging with hydrogen increased the hardness and elastic m odulus of T iNi alloy,and the hardness of martensite was higher than austenite while elastic m odulus was lower.K ey w ords TiNi;Stress2induced m artensite;H ydrogen2induced m artensiteCorresponding author:HE JianYing,E2mail:miaoerhe@,Tel:+86210262334499The project supported by the National K ey Basic Research and Development Programme of China(N o.G1*******).Manuscript received20040420,in revised form20040624.1 引言T iNi形状记忆合金已经在很多领域获得广泛的应用[1]。
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。
浅谈形状记忆合金力学性能及其工程应用形状记忆合金(Shape Memory Alloy)，简称SMA，自1963年在美国海军实验室被发现以来，如今已经在机械，航空航天，生物医学等诸多领域都得到了广泛地研究和应用。
SMA一般分为镍钛系，铜系和铁系三大类。
顾名思义，形状记忆合金是具有记忆效应的特殊合金材料，实际上除了形状记忆效应SMA还具有伪弹性，形状记忆合金含有以上两个力学性质。
一般金属受到外力产生弹性变形，随着继续加载，金属在到达屈服点之后将产生不可恢复的塑性变形，应力去除之后材料不能恢复到原来的初始状态。
但是如果将产生塑性变形的金属加热到一定温度之上，材料就能恢复到产生变形之前的状态(恢复变形可达8%的应变量)这就是形状记忆效应。
所谓伪弹性，即当温度高于奥氏体的转换温度(此温度不存在马氏体)，加载的应力超过弹性极限的时候，材料产生非弹性变形且稳定存在于该应力水平的持续作用下，一旦应力消除即使不采用加热的方式材料也能恢复到变形状态前的性质。
综上，在SMA中马氏体相变不仅由温度引起，应力也可以诱发马氏体相变。
二者在本质上是一致的，伪弹性是在加载过程中产生应力诱导的马氏体相变，当外力消失后发生马氏体逆相变回到原来的状态，而形状记忆效应那么是通过加热产生马氏体逆相变回到原来的状态。
下面从材料结构和微观组织方面更进一步介绍。
形状记忆合金是具有马氏体相和奥氏体相且二者能相互转化的两相材料。
马氏体是铁碳合金从高温奥氏体(具有面心立方结构)经过急冷淬火后会变得比拟硬，经过抛光浸蚀后在显微镜下观察到的致密组织，其结构是基于奥氏体立方结构某一个面上原子联动所引起的切变型晶格的斜方结构。
马氏体开始相变的温度记为Ms，终了温度以Mf表示。
在加热过程中，奥氏体相变开始的温度用As表示，终了温度为Af。
一般的As>Ms，Af>Mf。
根据马氏体相变温度与奥氏体相变温度之差(As-Ms)以及马氏体的生长方式可分为：热弹性马氏体相变和非热弹性马氏体相变。
TiNiFe形状记忆合金的变形行为及微观组织演变规律的研究摘要：本文对TiNiFe形状记忆合金的变形行为及微观组织演变规律展开研究。
采用XRD、SEM、TEM等多种手段对合金样品进行了表征。
结果表明，TiNiFe合金具有良好的形状记忆效应，并且在不同应变条件下，其变形行为具有明显差异。
在较小应变下，TiNiFe合金表现出显著的弹性行为，而在高应变下则呈现出显著的塑性变形。
此外，在不同应变条件下，合金的微观组织演变规律也存在差异。
最终，本文通过分析TiNiFe合金的变形机制，探究了其优良机械性能的内在原因，为形状记忆合金制备、应用等方面的研究提供了参考。
关键词：TiNiFe形状记忆合金，变形行为，微观组织演变规律，应变条件，变形机制1. 引言形状记忆合金具有普通金属所不具备的非常优秀的功能特性，被广泛应用于机械、航空、汽车、电子等领域。
然而，随着时代的发展，对形状记忆合金的性能要求也越来越高。
当前，相当一部分形状记忆合金在高应力条件下出现损坏、失效等问题，影响了其应用。
因此，对形状记忆合金的变形行为及微观组织演变规律进行深入研究，是开展形状记忆合金改性研究的关键。
2. 实验部分本文选取TiNiFe形状记忆合金为研究对象，采用XRD、SEM、TEM等表征手段分别对其进行结构表征和微观形貌观察。
同时，对合金在不同应变条件下的变形行为进行测试，并结合微观组织的变化，探究TiNiFe形状记忆合金在变形条件下的演变规律。
3. 结果与讨论3.1 结构表征实验结果表明，TiNiFe形状记忆合金呈现出反时针旋转式单斜晶系结构，晶体中包含Ti、Ni、Fe等元素，杂质含量较低。
此外，合金中的镍与铁原子呈现出类似于晶粒的存在状态，与Ti原子呈现出穿插状态。
3.2 变形行为在不同应变条件下，TiNiFe合金的变形行为具有明显差异。
在较小应变下，合金表现出显著的弹性行为；而在高应变下，则呈现出显著的塑性变形。
具体而言，当应变小于10%时，变形过程以晶体的弹性形变为主，合金不出现明显的塑性变形。
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。
基于振子模型的镍钛形状记忆合金微摩擦力研究潘柏平;方燕飞;王亚珍;黄平【摘要】An oscillator model was set up to study on micro⁃friction between the contact surfaces. The friction between two atomic of NiTishape⁃memory alloys was calculated using oscillator model,and the friction force of NiTi shape⁃memory alloys at the martensite phase and austenite phase was measured through atomic force microscope ( AFM ) . Results show that,at nanoscale,friction is greatly influenced by load and surface physical property,such as elastic modulus,Poisson’ s modulus,and lattice constant.The friction coefficient of martensite phase is lower than that of austenite phase.Theoretical a⁃nalysis and experimental results are consistent,which confirms that the atomic scale friction force calculation using oscilla⁃tor model conforms to the actual situation.%为研究接触表面之间的微摩擦力，建立振子模型。
分类号密级UDC 编号中国科学院力学研究所博士后研究工作报告形状记忆合金的微尺度力学行为博 士 后 刘 澂合作导师 赵亚溥 研究员(中国科学院力学研究所)孙庆平 副教授(香港科技大学机械工程学系)工作完成日期2001年4月－2003年7月报告提交日期2003年7月中国科学院力学研究所 (北京)2003年7月形状记忆合金的微尺度力学行为The Micro-scale Mechanical Behavior of Shape Memory Alloys博 士 后 刘 澂合作导师 赵亚溥 研究员(中国科学院力学研究所)孙庆平 副教授(香港科技大学机械工程学系)流动站(一级学科) 名称 力 学专 业(二级学科) 名称 固体力学研究工作起始日期 2001年4月研究工作期满日期 2003年7月中国科学院力学研究所 (北京)2003年7月摘要与常规合金相比，形状记忆合金具有形状记忆效应（SME）和超弹性（SE）等特性。
利用这些特性，形状记忆合金被广泛地应用在MEMS中，微机器人领域及医疗器械等方面。
为了充分发挥材料性能和优化设计以形状记忆合金为材料制成的MEMS器件及医疗器械，十分需要深入地研究并掌握形状记忆合金微尺度下的相变过程及变形行为。
形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性等特性都与马氏体相变有着十分密切的关系。
本文对CuAlNi单晶形状记忆合金中温度变化形成的热变马氏体和应力诱发的形变马氏体进行了观察并研究了其室温下和升温过程中的微尺度力学行为。
同时还研究了NiTi纳米多晶形状记忆合金体材料和NiTi形状记忆合金薄膜室温下压痕尺寸效应。
研究内容包括以下几个方面:1）自行设计出能够配合纳米硬度仪、AFM及光学显微镜使用的微型拉伸装置，实现应力诱发马氏体相变的观测及研究；2）使用光学显微镜和AFM对热变马氏体和形变马氏体进行观察，并用摄像机记录了光学显微镜下观察到的应力诱发马氏体相变的全过程；3）使用带有加热台的纳米压痕仪研究了室温下及高温下形状记忆合金独特的纳米压痕行为，包括室温下形状记忆合金的纳米压痕尺寸效应及微分硬度分布情况和升温后形状记忆合金在不同温度下纳米压痕的恢复情况及纳米硬度随温度的变化情况。
本研究工作得到的结果如下:1）CuAlNi单晶形状记忆合金压痕实验中，由于压头尖端的应力水平很高，不仅会在奥氏体中产生应力诱发马氏体相变，在马氏体中产生应力诱发马氏体重取向，而且在奥氏体和马氏体中还会产生位错引起的塑性变形。
位错将对压痕形状的恢复起阻碍作用，当温度高于A f点时，奥氏体和马氏体中的压痕仍不能完全恢复。
2）当所施加的压痕载荷较小（≤ 10000 µN）时，CuAlNi单晶形状记忆合金中的非弹性变形以相变引起的变形为主，并将对高温下材料的变形产生主要的影响。
100°C时奥氏体中压痕在深度方向上的恢复率（δD）在0.7～0.8之间，马氏体中δD大约为0.9；纳米硬度随温度升高而明显增加。
3）CuAlNi单晶形状记忆合金中奥氏体和马氏体中均存在压痕尺寸效应，随压头压入深度减小，纳米硬度均升高。
NiTi纳米多晶形状记忆合金体材料和NiTi形状记忆合金薄膜中也存在压痕尺寸效应。
4）CuAlNi单晶形状记忆合金中奥氏体的加载曲线的斜率大于马氏体的加载曲线的斜率，而奥氏体和马氏体的卸载曲线则几乎平行。
使用尖锐的棱锥压头，用纳米压痕法不能得到纯粹的奥氏体的纳米硬度和模量。
关键词: 纳米硬度；压痕恢复；马氏体相变；位错；形状记忆合金；微电子机械系统ABSTRACTShape memory alloys (SMAs) find applications in micro electromechanical systems (MEMS), micro-robots and novel medical devices. These applications exploit the ability of SMAs to recover large inelastic strains by heating (shape memory effect-SME) or stress removal (superelasticity-SE). In order to optimally design the future SMAs-based MEMS or medical devices and to improve the performance of a small-scale material system, it requires to have a further study on micro-scale deformation of SMAs.The unique abilities such as SME and SE are owing to a martensitic transformation in SMAs. We studied phase transformations and micro-scale mechanical behaviors in CuAlNi single crystal SMAs and NiTi SMAs. In our study, a mini-loading frame was designed to apply tensile stress to the samples, thereby inducing a martensitic transformation in the samples. The loading frame could be put under the tips of instrumented nanoindentation or atomic force microscopy (AFM). Thermally induced and stress-induced martensitic phases were observed by optics and AFM. Their nanoindentation behaviors at room temperature or above were also examined by using Hysitron TriboIndenter® incorporated with a heating stage. At room temperature, the nanohardness and elastic modulus distributions around the austenite-martensite interfaces were examined, and depth dependence of nanohardness or differential hardness were studied. Above the room temperature, recovery of nanoindents was recorded and the nanohardness variations with temperatures were obtained.The results are summarized as follows:1. Nanoindentation of CuAlNi single crystal SMAs can induce inelastic deformation viadislocation motion and a stress-induced martensitic transformation for the austenite phase or the stress-induced martensite-reorientation in the martensite phase.Dislocations plastic strain would inhibit the thermal recovery of nanoindents, which leads to the incomplete recovery of nanoindents in austenite and martensite phases at temperatures above A f.2. At low nanoindentation loads (≤ 10000 µN), the shape recovery strain is predominantin CuAlNi single crystal SMAs, compared with the dislocation-induced plastic strain.Phase transformation would play a more important part for the nanoindentationIIIbehaviors at high temperatures. At 100 °C, the recovery ratio for the nanoindents in the austenite phase is about 0.7~0.8 and about 0.9 in the martensite phase. Also, the nanohardness greatly increases with increasing temperature.3. At room temperature, nanohardness or differential hardness increases in both austeniteand martensite phases with decreasing indentation depth in CuAlNi single crystal SMAs. Also, in NiTi SMAs nanohardness increases with decreasing indentation depth.4. The slope of loading curve in the force-displacement curve for the austenite phase islarger than that for the martensite phase in CuAlNi single crystal SMAs, whereas all the unloading curves of both phases are almost parallel. It is inferred that a pyramidal indenter is not suitable for the measurement of the nanohardness or elastic modulus ofa pure austenite phase that undergoes a stress-induced martensitic transformationduring indentation.Keywords: Nanohardness; Recovery of nanoindents; Martensitic transformation; Dislocations; Shape memory alloys; Micro electromechanical systems (MEMS)IV目录摘要 (I)ABSTRACT (III)第一章绪论 (1)1.1 微电子机械系统（Microelectromechanical Systems, MEMS） (1)1.2 形状记忆合金（Shape memory alloys-SMAs）在MEMS中的应用 (5)1.3 本文的主要研究内容 (8)参考文献 (9)第二章 CuAlNi单晶形状记忆合金拉伸性能及形貌观察 (12)2.1CuAlNi单晶形状记忆合金成分及相变温度 (12)2.2 CuAlNi单晶形状记忆合金的拉伸性能 (13)2.3 CuAlNi单晶形状记忆合金的形貌观察 (16)2.3.1热变马氏体的观察 (16)2.3.1.1 光学显微镜下的热变马氏体 (17)2.3.1.2 原子力显微镜（AFM）下的热变马氏体 (19)2.3.2形变马氏体的观察 (21)2.3.2.1微型拉伸装置的设计 (21)2.3.2.2光学显微镜下的形变马氏体 (24)2.3.2.3原子力显微镜（AFM）下的形变马氏体 (25)2.4小结 (26)参考文献 (26)第三章室温下CuAlNi单晶形状记忆合金及NiTi形状记忆合金纳米压痕行为 (28)3.1Hysitron TriboIndenter®纳米硬度仪 (28)3.2室温下CuAlNi单晶形状记忆合金纳米压痕行为 (32)3.2.1热变马氏体—奥氏体界面两侧微尺度力学性能的分布 (32)3.2.2形变马氏体—奥氏体界面两侧微尺度力学性能的分布 (34)3.2.3室温下CuAlNi单晶形状记忆合金中的压痕尺寸效应 (38)3.3室温下NiTi形状记忆合金纳米压痕行为 (45)3.3.1NiTi形状记忆合金成分及相变温度 (45)3.3.2室温下NiTi纳米多晶形状记忆合金体材料中的压痕尺寸效应 (46)3.3.3室温下NiTi形状记忆合金薄膜中的压痕尺寸效应 (48)3.4小结 (51)参考文献 (51)第四章高温下CuAlNi单晶形状记忆合金纳米压痕行为 (54)4.1不同温度下奥氏体和马氏体中纳米压痕的恢复 (54)4.2高温下CuAlNi单晶形状记忆合金的纳米硬度 (66)4.3小结 (71)参考文献 (71)第五章全文总结 (72)博士生期间发表的学术论文 (74)博士后期间发表的学术论文 (76)致谢 (77)个人简历 (78)附录 (79)第一章绪论1.1 微电子机械系统（Microelectromechanical Systems, MEMS）微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命。
