光測力學方法在NiTi合金材料力學行為若干研究中的應(yīng)用.pdf

1、目前，NiTi合金是應(yīng)用最為廣泛的一類記憶合金，它具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，已逐步應(yīng)用于空間飛行器、核反應(yīng)堆、建筑、橋梁、海洋平臺等結(jié)構(gòu)以及醫(yī)療等日常生活中。另外，隨著智能材料及結(jié)構(gòu)、微機電系統(tǒng)及生物醫(yī)學等發(fā)展及需求，NiTi合金的應(yīng)用會更加廣泛，因此對NiTi記憶合金中馬氏體相變機理、材料的熱物理性能、材料表面的改性、材料的疲勞斷裂等問題更深入的細觀研究，是非常必要的，也是令人十分關(guān)注的。目前，對NiTi合金材料力學行為的研究遠

2、遠不夠，在理論和實驗方面還要不斷地進行深入研究和探索，這些研究和探索，會對理解材料的本質(zhì)和建立材料的細觀本構(gòu)模型，以及材料的設(shè)計和使用等，有著十分重要的意義。由于材料宏觀性質(zhì)與其微結(jié)構(gòu)的變化是密切相關(guān)的，所以尋找既能反映宏觀變形同時又能顯示微結(jié)構(gòu)變化的一些實驗方法，并給出相應(yīng)的一些力學參量和力學特性的定量分析，有著十分重要的理論和實際意義。
　　光測力學方法及其相應(yīng)的實驗技術(shù)，可以為上述問題的研究提供非常有效地支持。光測力學以全場

3、性、非接觸性、高靈敏度、高精度等優(yōu)點，在宏觀、微細觀領(lǐng)域內(nèi)對有關(guān)力學問題的研究方面發(fā)揮了極其重要作用。本論文主要是利用光測力學的方法，圍繞NiTi合金材料力學行為的若干問題進行了實驗研究，得到的一些研究結(jié)果，具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。
　　首先利用云紋干涉法研究應(yīng)力誘發(fā)單晶NiTi形狀記憶合金馬氏體的相變，在形狀記憶效應(yīng)和超彈性特征下，從變形場的角度，揭示了馬氏體的產(chǎn)生、長大、及其傳播的規(guī)律。應(yīng)力誘發(fā)單晶體NiTi馬氏體的長大

4、和傳播都是由許多馬氏體合并來實現(xiàn)的，而不是通過慣習面來進行傳播的。
　　氧離子做為注入劑注入多晶NiTi合金材料表面，注入層的深度和化學成份由X射線光電子能譜儀進行測定。在材料表層附近，約100nm厚度內(nèi)，氧離子和Ti離子結(jié)合形成氧化鈦薄膜，薄膜與基體間產(chǎn)生殘余應(yīng)力。利用云紋干涉與鉆孔法相結(jié)合，測量了多晶NiTi合金表面氧離子注入后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并探討了退火處理對殘余應(yīng)力的影響，退火時間越長殘余應(yīng)力越小。一些實驗研究對進一步解

5、決有關(guān)方面殘余應(yīng)力問題奠定了基礎(chǔ)，并有很好的借鑒作用。
　　數(shù)字散斑相關(guān)方法在解決大變形和斷裂等問題上有極大優(yōu)勢，并且適于不同尺度的實驗測量。本文利用該方法對具有超彈性特征且?guī)в蓄A(yù)制雙邊裂紋多晶Ni-51.8at％Ti形狀記憶合金試件進行單向拉伸實驗，探討了不同的時效處理溫度對裂紋尖端位移場、應(yīng)變場以及斷裂的影響，從變形場的角度反映了材料的斷裂特性。所用的求應(yīng)變的方法，與對位移場數(shù)據(jù)先用有限元或薄板樣條平滑再差分的方法相比，不僅基

6、本原理清晰、容易理解，而且易于編程實現(xiàn)。一些實驗測量結(jié)果也證明了它的有效性和可靠性，完全可以在更多領(lǐng)域加以應(yīng)用。
　　提出一種基于空間光調(diào)制器技術(shù)的云紋法，利用空間光調(diào)制器與光學信息處理系統(tǒng)相結(jié)合，獲得了云紋及倍增云紋。該方法簡單快捷，云紋及倍增結(jié)果能夠?qū)崟r顯示，克服了傳統(tǒng)幾何云紋方法的一些不足。云紋的倍增結(jié)果有效地提高測量靈敏度。采用離子束聚焦的方法，在多晶NiTi合金材料表面刻蝕高頻正交光柵。利用該云紋法所獲得的材料微尺度變形