NiTi形狀記憶合金微-宏觀本構(gòu)模型及其應(yīng)用.pdf

1、NiTi形狀記憶合金以其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、偽彈性以及良好的生物相容性而倍受關(guān)注,得到了大量的研究和廣泛的應(yīng)用。由于形狀記憶合金使用環(huán)境非常復(fù)雜,不可避免地受到多軸載荷的作用,其破壞也常發(fā)生在多軸應(yīng)力狀態(tài)。然而,已有研究大部分關(guān)注的是單軸載荷作用下的偽彈性特性,很少涉及到多軸載荷作用下的特性研究。與此同時,NiTi合金在拉伸和壓縮時的偽彈性特性明顯不同是由于發(fā)生相變的馬氏體變體不同,而多軸載荷作用下馬氏體變體的相變更加復(fù)雜。因此,很有必

2、要開展形狀記憶合金在多軸載荷作用下的實驗研究,并以馬氏體變體相變的特征建立能夠描述復(fù)雜熱力學(xué)載荷作用下的本構(gòu)模型。這不僅可以豐富材料本構(gòu)關(guān)系的研究成果,同時對形狀記憶合金的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。本研究主要內(nèi)容包括：
　　①在拉/壓-剪切應(yīng)變平面上的若干路徑下對NiTi SMA微管的偽彈性特性進(jìn)行了實驗研究。揭示了不同應(yīng)力狀態(tài)下馬氏體相變的幾個主要特征:拉伸和壓縮載荷作用下偽彈性特性具有明顯的不對稱性;不同的雙軸加載路徑下,材料的

3、偽彈性特性具有很大差異,且拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷的作用是相互耦合的。其實驗結(jié)果為建立描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下形狀記憶合金的本構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ)。
　?、谠贕all等人本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,提出了一個考慮奧氏體和馬氏體不同彈性特性的微-宏觀本構(gòu)模型。該模型以24個馬氏體變體的體積分?jǐn)?shù)為內(nèi)變量,引入交互能矩陣描述馬氏體變體之間的相互作用,得到了單晶的本構(gòu)模型,并采用有限元方法將具有不同取向的單晶集合起來從而獲得多晶的本構(gòu)模型。對NiTi形狀記憶合金典型的

4、熱力學(xué)特性進(jìn)行了描述,如拉壓不對稱性、應(yīng)變率效應(yīng)、溫度的影響以及多軸偽彈性特性。模擬結(jié)果表明:形狀記憶合金復(fù)雜的偽彈性特性與不同應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生相變的馬氏體變體密切相關(guān);材料的應(yīng)變率效應(yīng)主要是由于相變過程中相變潛熱引起的;隨著溫度的升高,正/逆相變臨界應(yīng)力明顯升高。
　?、勰Ｐ椭羞M(jìn)一步引入孿晶馬氏體體積分?jǐn)?shù),基于修正的應(yīng)力-溫度相圖,并假設(shè)馬氏體重取向和相變的機(jī)制相同,得到了一個能夠描述形狀記憶效應(yīng)的本構(gòu)模型。此外,根據(jù)雙程形狀記憶

5、效應(yīng)的實驗結(jié)果,對模型中的相變應(yīng)變幅值進(jìn)行了修正,使該模型可以很好的描述不同應(yīng)力水平下的雙程記憶效應(yīng)。模擬結(jié)果表明模型能夠較好的描述形狀記憶合金在單軸和多軸載荷作用下的形狀記憶效應(yīng)。證明了本文關(guān)于馬氏體去孿晶和相變的機(jī)制相同的假設(shè)。
　?、懿捎盟⒌谋緲?gòu)模型對血管支架進(jìn)行了初步的特性研究,得到了NiTi支架在壓縮-自膨脹過程中的Mises等效應(yīng)力和馬氏體的分布,以及徑向力和支架直徑之間的關(guān)系,對血管支架的設(shè)計與優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)