超弹性形状记忆合金棒力学性能的实验研究.pdf

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1、助薯才抖20]3年第2期(44)卷超弹性形状记忆合金棒力学性能的实验研究任文杰，王利强，贾俊森。，贾茹(1．河北工业大学土木工程学院，天津300401；2．河北省土木工程技术研究中心，天津300401；3．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；4．天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222)摘要：对超弹性形状记忆合金(SMA)棒进行力学Ti一55．9(原子分数)Ni，奥氏体相变结束温度约为性能实验，研究了荷栽循环、应变幅值和荷载频率对其5。C，试件全长300mm。滞回曲线以及耗能量、损耗因子、残余应变的力学参数实验在I

2、NSTR()N8801电液伺服疲劳实验机上的影响。结果表明，应力一应变曲线在循环加卸载中逐进行，如图1所示。试件的轴向力由力传感器测试，其渐变化并趋于稳定；耗能量和损耗因子均随应变幅值量程为50kN；轴向变形由引伸计测量，其标距为的增加而增加，随荷载频率的增加而减小；稳定的25mm。实验采用等位移加载方式，加载终止条件由SMA棒的超弹性、耗能能力和阻尼性能均较差，但其位移控制，卸载终止条件由力控制。实验结果由计算输出力较大，故可作为复位或限位装置用于土木工程机自动采集。中。关键词：形状记忆合金棒；超弹性；力学实验中图分类号：TG139．6；TU352．

3、11文献标识码：A文章编号：1O019731(2013)02—0258—041引言形状记忆合金(shapememoryalloy，简称SMA)是一类对形状有记忆功能的机敏材料，其在奥氏体相表现出的超弹性，可恢复应变大，具有良好的耗能和阻尼能力，且强度高，抗腐蚀、抗疲劳性好，已广泛应用于Fig1Experimentalsetup电子、机械、医疗、航空航天等行业，近几年在土木工程对SMA棒进行单轴加卸载实验，考虑循环次数、领域也得到研究与应用。应变幅值和加载频率等因素的影响，实验温度为室温超弹性SMA在土木工程领域的研究主要体现在25℃。具体实验方案如下。

4、3个方面：(1)对SMA材料进行力学实验，并建立其(1)SMA棒的等应变幅值循环加卸载实验：循环本构模型_]；(2)开发SMA耗能装置，以实现结构振26次，应变幅值4．7，荷载频率为0．005Hz；(2)动被动控制及复位功能；(3)将SMA材料粘贴在SMA棒在不同因素下的加卸载实验：应变幅值依次为构件表面或埋入构件，实现构件损伤的自监测、自传感0．7、1．1、1．4、1．8、2．1、2．5和2．8，荷和自修复]。目前的研究成果多适用于SMA细丝，载频率分别为0．002、0．02、0．1和0．5Hz。测试前而关于大直径SMA棒材的研究较少l1。土木工程中

5、SMA棒已经方案(1)的循环加卸载至性能稳定。需要往往需要大输出力的耗能装置，这是SMA细丝无法说明的是，0．002Hz加卸载时，由于数据采集出现故满足的，因此SMA棒材有着更为实际的应用价值。障，未采集到2．8应变幅值时的力和变形数据。本文对直径为4．6mm的国产NiTi—SMA棒进行拉伸实验，研究荷载循环、应变幅值和荷载频率对其力3实验结果与分析学性能的影响，为SMA棒的工程应用提供参考。3．1SMA力学参数定义2超弹性SMA棒力学性能实验一次加卸载循环对应的SMA典型应力一应变曲线如图2所示。图2曲线OA为奥氏体相弹性加载阶超弹性NiTi—SMA

6、棒，直径4．6ram，合金成分为段；曲线AB为马氏体正相变阶段；曲线BC为弹性卸*基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(50978081)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20091317120002)；河北省教育厅百名优秀创新人才支持计划资助项目(CPRC011)；住宅与城乡建设部科学技术资助项目(201卜K3—18)；大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金资助项目(LP0902)收到初稿日期：2012—06—25收到修改稿日期：2012—10—09通讯作者：任文杰作者简介：任文杰(1972一)，女，山西天镇人，教授，博士，

7、从事智能材料与结构研究。任文杰等：超弹性形状记忆合金棒力学性能的实验研究载阶段，若正相变未完成时卸荷，材料的相态是马氏体△W[]和奥氏体混合相，若正相变完成时卸荷，则材料处于马l2×兀×(w一丢△w)f氏体相；曲线CD为马氏体逆相变阶段；曲线DE为弹性卸载阶段，材料相态以奥氏体相为主。曲线上A、B、3．2荷载循环对超弹性SMA棒力学性能影响c和D点分别代表着马氏体正相变开始点、马氏体正图3给出了荷载循环对SMA棒力学性能的影相变结束点、马氏体逆相变开始点、马氏体逆相变结束响。可见：(1)图3(a)中，在荷载循环初期，应力一应变点。OE段为卸载后的残余应

8、变。曲线的5个阶段和4个相变点比较清晰，马氏体正、逆相变(特别是正相变)产生的屈服平台较明显，