保持时间对镍钛形状记忆合金单轴循环相变的影响#

1、中国科技论文在线- PAGE 5 - FORMTEXT 保持时间对镍钛形状记忆合金单轴循环相变的影响基金项目：教育部博士点新教师基金（20120184120012） FORMTEXT 董诗玉， FORMTEXT 阚前华， FORMTEXT 杨强军， FORMTEXT 康国政作者简介：董诗玉（1991-），男，硕士研究生，智能材料的循环本构关系通信联系人：阚前华（1980-），男，副教授，智能材料的循环本构关系. 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 西南交通大学力学与工程学院，成都 610031;西南交通大学力学与工程学院，成都 610031;西南交通大学力学与工程学院，成都 610031;西南交通大学力学与工程学院，成都 610031 * MERGEFORMAT西南交通大学力学与工程学院，成都 610031;西南交通大学力学与工程学院，成都 610031;西南交通大学力学与工程学院，成都 610031;西南交通大学力学与工程学院，成都 610031SET bkPostcode 610031;610031; * MERGEFORM

6、AT610031;610031;SET bkMobile13980573140; * MERGEFORMA13980573140;SET bkTelphone028-87601442; * MERGEFORMA028-87601442;SET bkAddress 四川省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2607;四川省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2526A; * MERGEFORMAT四川省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2607;四川

7、省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2526A;SET bkEmail 1226535223;qianhuakan;171096293; * MERGEFORMAT1226535223;qianhuakan;171096293;SET bkIntroduction 董诗玉（1991-），男，硕士研究生，智能材料的循环本构关系;阚前华（1980-），男，副教授，智能材料的循环本构关系; * MERGEFORMAT董诗玉（1991-），男，硕士研究生，智能材料的循环本构关系;阚前华（1980-），男，副教授，智能材料的循环本构关系;SET bkAuthorCHN 董诗玉;阚前华;杨

8、强军;康国政 * MERGEFORMAT董诗玉;阚前华;杨强军;康国政SET bkAuthorEN Dong Shiyu;Kan Qianhua;Yang Qiangjun;Kang Guozheng * MERGEFORMATDong Shiyu;Kan Qianhua;Yang Qiangjun;Kang GuozhengSET bkContact 阚前华 * MERGEFORMAT阚前华SET bkFund 教育部博士点新教师基金（20120184120012） * MERGEFORMAT教育部博士点新教师基金（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*

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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*|*

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16、7): 971-990.5*|*期刊*|*庄起昌, 蒋守葆. 应用镍钛形状记忆合金框架式内固定器治疗锁骨骨折J. 中华骨科杂志, 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|董诗玉|Dong Shiyu|西南交通大学力学与工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|董诗玉（1991-），男，硕士研究生，智能材料的循环本构关系|四川省成都市二环路北一段11

18、1号西南交大九里堤校区机械馆2607|610031|122653522315202871530*|2|阚前华|Kan Qianhua|西南交通大学力学与工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|阚前华（1980-），男，副教授，智能材料的循环本构关系|四川省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2526A|610031|qianhuakan13980573140|3|杨强军|Y

19、ang Qiangjun|西南交通大学力学与工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|171096293|4|康国政|Kang Guozheng|西南交通大学力学与工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031| * MERGEFORMAT|1|董诗玉|Dong Shiyu|西南交通大学力学与工程

20、学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|董诗玉（1991-），男，硕士研究生，智能材料的循环本构关系|四川省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2607|610031|122653522315202871530*|2|阚前华|Kan Qianhua|西南交通大学力学与工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong

21、 University, Chengdu 610031|阚前华（1980-），男，副教授，智能材料的循环本构关系|四川省成都市二环路北一段111号西南交大九里堤校区机械馆2526A|610031|qianhuakan13980573140|3|杨强军|Yang Qiangjun|西南交通大学力学与工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|171096293|4|康国政|Kang Guozheng|西南交通大学力学与

22、工程学院，成都 610031|School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031|SET bkTitleInfo 保持时间对镍钛形状记忆合金单轴循环相变的影响|The effect of holding time on uniaxial cyclic phase transformation of NiTi shape memory alloy|教育部博士点新教师基金（20120184120012） * MERGEFORMAT保持时间对镍钛形状记忆合金单轴循环相变的影响|The e

23、ffect of holding time on uniaxial cyclic phase transformation of NiTi shape memory alloy|教育部博士点新教师基金（20120184120012）（西南交通大学力学与工程学院，成都 610031）SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT 摘要： FORMTEXT 对镍钛形状记忆合金在不同保持时间下的循环变形行为进行了实验研究。结果表明：循环加载下，峰值和谷值载荷保持会促进材料持续发生相变和逆相变，峰值保持时间越长，峰值应变越大，

24、耗散能越大；峰值保持时间对残余应变的演化影响不大；进而有谷值保持时间比没有谷值保持时间的峰值应变、残余应变和耗散能都大。发生在保持时间内的相变应变随循环周次的增加逐渐减小，随保持时间的增加而增加。当加载的峰值应力接近相变结束应力时，保持时间的增加对马氏体相变的促进作用相对微弱。关键词： FORMTEXT 形状记忆合金；保持时间；马氏体相变；应力循环中图分类号： 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引言镍钛形状记忆合金（SMA）作为一

29、种功能材料，由于其独特的超弹性特性，大阻尼特性，耐腐蚀耐磨特性和生物相容性等，广泛应用于机械、土木、化工和医疗器械等许多领域1-3。镍钛SMA在实际应用中的工作环境多处于循环载荷下，且存在保载作用情形。例如，龋齿矫正丝4在矫正牙齿的过程中需要长期对牙齿施加恒载；血管支架、骨骼固定器等5SMA基元件中不仅存在载荷保持情形，还持续受到血液和骨骼的循环应力加/卸载作用。超弹性和耗散能是镍钛SMA作为功能性材料的主要特征，在循环加载下，循环相变诱发的奥氏体和马氏体界面塑性变形会阻碍逆相变的发生，使得材料的特征参数和相变行为发生变化6，最终导致材料功能性的退化甚至失效。对于金属材料，保持时间对循环变形行

30、为的影响已引起很大的重视7.然而，对于载荷保持对镍钛SMA循环相变的影响，目前还鲜见相关报道。因此，十分有必要研究保持时间对镍钛SMA循环相变的影响。本文在应力控制下对不同保持时间下镍钛SMA的循环相变行为进行了实验研究。揭示了循环相变对保持时间大小、保持时间方式（峰值保持或峰谷值均保持）和峰值应力等因素的依赖性。实验材料和过程实验材料为镍钛形状记忆合金微管，外径2.50.02mm，内径2.20.02mm。试样总长度为40mm，其中，工作段长度20.0mm。奥氏体相变开始温度As=-5，奥氏体相变结束温度Af=10。实验温度为23。采用MTS858-5KN试验机进行实验。实验在应力控制下进行，

31、加载方式为拉伸-保持-卸载。加载速率为8MPa/s。耗散能定义为每个循环中应力和应变围成的面积，可通过对应力应变进行积分获得。实验结果与讨论图1给出了不同峰值应力下峰值保持时间为60s的循环应力-应变曲线。由图可见，材料的初始相变应力随着循环周次的增加逐渐降低。当峰值应力=440MPa时，应变持续增加，并且随着循环周次的增加，保持时间内增加的应变逐渐减少。产生这种现象的原因可以解释为：随着循环周次的增加，SMA的相变开始应力的不断下降使得马氏体相变的驱动力下降，未进入峰值应力保持时马氏体相变完成量不断增加，从而导致发生在峰值保持时间内的相变应变减小。相对图1（a）和（b）可知，当=500MPa

32、时，材料在峰值应力保持之前已完成了大部分马氏体相变，在保持时间内几乎没有相变发生，即保持时间对循环相变的影响表现出应力相关性。（a） 峰值应力为440MPa （b） 峰值应力为500MPa(a) peak stress of 440MPa (b) peak stress of 500MPa图1 保持时间为60s的不同峰值应力下的循环应力-应变曲线Fig. 1 Cyclic stress-strain curves of holding time 60s at different peak stresses图2给出了不同保持时间和峰值应力下的峰值应变与循环周次的关系曲线。由图2(a)可见，随着循

33、环周次的增加，峰值应变逐渐增大，并趋于稳定。相同峰值应力下，保持时间越长，峰值应变越大。相同保持时间下，峰值应力越大，峰值应变也越大。这表明峰值应变的演化与保持时间和峰值应力均相关。当=500MPa时，峰值应变在初始循环下值较大，并且在几个循环周次后便趋于稳定，几乎不再增加。这是由于材料在加载过程中已经开始相变，在未达到峰值应力时相变已经进行地比较充分。由图2(b)可见，仅在峰值保持一定时间下的峰值应变要明显小于峰谷值都具有一定保持时间的峰值应变，即谷值保持时间对峰值应变演化也有一定的影响。（a） 不同峰值保持时间 （b） 有无谷值保持时间 (a) different peak holding

34、 time (b) with or without valley holding time图2 不同峰值应力和保持时间下的峰值应变与循环周次的关系曲线Fig. 2 Curves of peak strain vs. number of cycles at different peak stresses and holding time图3给出了不同保持时间和峰值应力下的残余应变与循环周次的关系曲线。由图3(a)可见，随着循环周次的增加，残余应变逐渐累积，并趋于稳定。当峰值应力一定时，不同保持时间下的残余应变基本相同，保持时间对残余应变的演化影响不大。相同保持时间下，峰值应力越大，残余应变越大。

35、这表明残余应变的演化仅与峰值应力有关，而与保持时间关系不大。由图3(b)可见，仅在峰值保持一定时间下的残余应变要明显小于峰谷值都具有一定保持时间的残余应变。（a） 不同峰值保持时间 （b） 有无谷值保持时间 (a) different peak holding time (b) with or without valley holding time图3 不同峰值应力和保持时间下的残余应变与循环周次的关系曲线Fig. 3 Curves of residual strain vs. number of cycles at different peak stresses and holding ti

36、me图4给出了不同保持时间和峰值应力下的保持时间内产生的相变应变与循环周次的关系曲线。由图可见，随着循环周次的增加，保持时间内发生的相变应变逐渐减小。相同峰值应力下，保持时间越长，保持时间内产生的应变越大，且随着循环周次的增加，不同保持时间下产生的相变应变逐渐达到近似相同的稳定值；相同保持时间下，峰值应力越大，保持时间内应变越小。以上结果表明保持时间内的相变应变的演化与保持时间和峰值应力的大小相关。图4 不同峰值应力下保持时间内的相变应变随循环周次变化曲线Fig. 4 Curves of strain at holding time vs. number of cycles at differ

37、ent peak stress 图5给出了不同保持时间和峰值应力下的耗散能与循环周次的关系曲线。由图5(a)可见，相同峰值应力下，保持时间越长，耗散能越大，并且随着循环周次的增加逐渐增大。当=500MPa时，耗散能初始值显著大于=440MPa时耗散能初始值，并且随着循环周次的增加逐渐降低。这是由于当=500MPa时，在加载阶段材料已经发生相变，峰值保持时间的进一步作用，使得材料相变非常充分，耗散能达到峰值；而随着循环周次的增加，材料性能劣化导致耗散能的减小。这表明耗散能的演化与保持时间和峰值应力均相关。由图5(b)可见，仅在峰值保持一定时间下的耗散能要明显小于峰谷值都具有一定保持时间的耗散能，即谷值保持时间能提高SMA的耗散能。（a） 不同峰值保持时间 （b） 有无谷值保持时间 (a) different peak holding time (b) with or without valley holding time图5 不同峰值应力和保持时间下的耗散能与循环周次的关系曲线Fig. 5 Curves of dissipation energy vs. number of cyc