NiTi形状记忆合金微-宏观本构模型及其应用

摘要

NiTi形状记忆合金以其独特的形状记忆效应、伪弹性以及良好的生物相容性而倍受关注,得到了大量的研究和广泛的应用。由于形状记忆合金使用环境非常复杂,不可避免地受到多轴载荷的作用,其破坏也常发生在多轴应力状态。然而,已有研究大部分关注的是单轴载荷作用下的伪弹性特性,很少涉及到多轴载荷作用下的特性研究。与此同时,NiTi合金在拉伸和压缩时的伪弹性特性明显不同是由于发生相变的马氏体变体不同,而多轴载荷作用下马氏体变体的相变更加复杂。因此,很有必要开展形状记忆合金在多轴载荷作用下的实验研究,并以马氏体变体相变的特征建立能够描述复杂热力学载荷作用下的本构模型。这不仅可以丰富材料本构关系的研究成果,同时对形状记忆合金的应用具有重要的指导作用。本研究主要内容包括：
　　①在拉/压-剪切应变平面上的若干路径下对NiTi SMA微管的伪弹性特性进行了实验研究。揭示了不同应力状态下马氏体相变的几个主要特征:拉伸和压缩载荷作用下伪弹性特性具有明显的不对称性;不同的双轴加载路径下,材料的伪弹性特性具有很大差异,且拉伸和扭转载荷的作用是相互耦合的。其实验结果为建立描述复杂应力状态下形状记忆合金的本构模型奠定了基础。
　　②在Gall等人本构模型的基础上,提出了一个考虑奥氏体和马氏体不同弹性特性的微-宏观本构模型。该模型以24个马氏体变体的体积分数为内变量,引入交互能矩阵描述马氏体变体之间的相互作用,得到了单晶的本构模型,并采用有限元方法将具有不同取向的单晶集合起来从而获得多晶的本构模型。对NiTi形状记忆合金典型的热力学特性进行了描述,如拉压不对称性、应变率效应、温度的影响以及多轴伪弹性特性。模拟结果表明:形状记忆合金复杂的伪弹性特性与不同应力状态下发生相变的马氏体变体密切相关;材料的应变率效应主要是由于相变过程中相变潜热引起的;随着温度的升高,正/逆相变临界应力明显升高。
　　③模型中进一步引入孪晶马氏体体积分数,基于修正的应力-温度相图,并假设马氏体重取向和相变的机制相同,得到了一个能够描述形状记忆效应的本构模型。此外,根据双程形状记忆效应的实验结果,对模型中的相变应变幅值进行了修正,使该模型可以很好的描述不同应力水平下的双程记忆效应。模拟结果表明模型能够较好的描述形状记忆合金在单轴和多轴载荷作用下的形状记忆效应。证明了本文关于马氏体去孪晶和相变的机制相同的假设。
　　④采用所建立的本构模型对血管支架进行了初步的特性研究,得到了NiTi支架在压缩-自膨胀过程中的Mises等效应力和马氏体的分布,以及径向力和支架直径之间的关系,对血管支架的设计与优化具有重要的指导意义。同时,证明文中发展的本构模型及其相应的数值算法具有很强的适应能力,对形状记忆合金的发展和应用具有重要的指导作用。