不同直径NiTi形状记忆合金棒材的超弹性试验研究

王 伟 邵红亮

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.同济大学建筑工程系，上海2000092）

不同直径NiTi形状记忆合金棒材的超弹性试验研究

王 伟1，2邵红亮2，*

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.同济大学建筑工程系，上海2000092）

处于奥氏体相态的形状记忆合金在经历较大变形后仍然可恢复原状，这一特性称为超弹性。立足于工程应用，对直径分别为6 mm、12 mm和19 mm的三种NiTi形状记忆合金棒材在常温下的力学性能进行试验研究。主要考察其相变应力、残余应变和耗能能力等力学特征随应变幅值与循环次数等参数的变化规律。研究结果表明，在相同加载速率下，国产19 mm直径棒材的最大可恢复弹性应变约为2.5%，与国外大直径形状记忆合金棒材的超弹性水平尚存在差距；12 mm直径棒材的最大可恢复弹性应变约为5%，可以应用于钢结构节点，以获得自回复性能。应变幅值和循环次数对NiTi形状记忆合金棒材的力学性能有重要影响，在工程应用时应该予以考虑。

形状记忆合金，超弹性，力学性能，钢结构，自回复

1 引 言

形状记忆合金（shapememory alloy，SMA）是一种新型的智能材料。自1963年美国海军武器实验室发现NiTi形状记忆合金具有良好的形状记忆效应（shapememory effect，SME）之后，世界各国学者对SME的作用机理以及与之密切相关的超弹性效应（Superelasticity Effect，SE）的作用机理进行了广泛研究，提出了一系列与温度、相变应力有关的一维和三维本构模型。形状记忆合金不仅应用于航天、医疗等领域中，还广泛应用于具有高度自适应能力的智能结构中［1，2］，从而为土木工程领域的发展提出了新的方向。

形状记忆合金一般具有两种晶体状态：奥氏体状态（Austenite Phase）和马氏体状态（Martensite Phase），其中奥氏体状态又叫做母相（Parent Phase）。奥氏体向马氏体状态转变被称之为正相变，反之则为逆相变。当温度高于马氏体并达到奥氏体相变的完成温度Af时，产生的应力诱发马氏体会随着应力的消失而消失，即使不加热也会发生马氏体逆相变而恢复到原来的母相状态，应力作用下产生的宏观变形也将随着逆相变的进行而完全消失，这种特性即是形状记忆合金的超弹性。超弹性是形状记忆合金最具工程应用价值的力学特性之一。Deroches等［3］对一25.4 mm直径的NiTi棒材进行循环拉伸试验的结果表明，大直径SMA棒材的可恢复应变可达到6%，并且具有较好的能量存储和传输能力。形状记忆合金与普通钢材（Q235）的力学性能对比如表1所示。

Miyazaki［4］最早对NiTi形状记忆合金超弹性行为进行了系统的试验研究，讨论不同温度下，拉伸-卸载和循环加载下的NiTi形状记忆合金的应力—应变关系。Orgeas等［5］研究了应力诱发马氏体相变的热力学行为，发现形状记忆合金表现出明显的拉压非对称性。Liu等［6］对拉压非对称性现象进行了深入的研究，揭示该效应的微观机理。Nemat-Nasser等［7］研究发现超弹性与加载应变率密切相关，且其影响随应变率的增加而增加。然而，Liu等［8］的研究表明，随着应变率的持续升高，在一定范围内，超弹性对应变率的敏感性将会消失。

形状记忆合金材料一次加、卸载循环对应的典型应力—应变曲线如图1所示。其中，σMs、σMf、σAs和σAf分别为马氏体相变开始时应力、马氏体相变结束时应力、奥氏体相变开始时应力和奥氏体相变结束时应力。εmax、εres为一次循环加载的应变幅值和残余应变。ΔW为滞回曲线所包围的面积，即超弹性SMA在一个加卸载循环内的能量耗散值。W为曲线OAB与应变轴所包围的面积，即超弹性SMA在一个加卸载循环内的总应变能定义为等效阻尼比。

图1 超弹性SMA力学性能指标Fig.1 Mechanical parameters of superelastic SMA

目前国内针对形状记忆合金超弹性力学性能的研究，主要集中于丝材［9］、弹簧以及小尺寸的棒材［10］，而对国产大直径棒材的超弹性研究较少。本试验将研究6 mm、12 mm和19 mm三种直径的国产形状记忆合金棒材在室温条件下的力学行为，主要考察其相变应力、残余应变和耗能能力等力学特征参数随应变幅值和循环次数等参数的变化规律，为工程实际应用提供参考。

2 试验设计

2.1 试件设计

本试验采用西安赛特金属材料开发有限公司生产的直径分别为6 mm、12 mm和19 mm的Ti－55.82at%Ni超弹性型形状记忆合金棒材，其标定临界相变温度Af＝－5℃。其中，直径为19 mm的棒材设计成两种试件：一种为热轧加工态，一种为退火态；直径为6 mm和12 mm棒材均设计为退火态。退火态棒材采用500℃～550℃加工，为了获得更好的超弹性性能，试件加工完成后继续在400℃环境中保温30 min，之后再进一步水淬。材性试件按图1和表2所示尺寸加工，加工完成的材性试件实物见图3。

图2 材性试件加工图Fig.2 Dimensions ofmaterial specimens

图3 材性试件实物图Fig.3 Material specimens

表2 材性试件加工参数Table 2 Parameters ofmaterial specimens

2.2 试验装置

试验装置为新三思材料检测有限公司生产的SHT4系列微机控制电液伺服万能试验机（图4），采用量程为2 000 kN的力传感器测量荷载，采用标距为50 mm的MTS引伸计来测量位移，试验数据通过PowerTest V3.4试验软件自动采集。试验前，将六根编号为SA-19、CL-19、SA-12、CL-12、SA -6和CL-6的NiTi形状记忆合金棒材试件在冷水和沸水中各放置5 min，以相同方式进行5次冷热循环处理以稳定SMA棒材的力学性能。最终将试件从沸水中取出后在室温下自然冷却。

图4 试验装置Fig.4 Experimental setup

2.3 加载制度

（1）对编号为SA-19（加工态）的试件进行应变幅值递增的加卸载循环拉伸试验，加载和卸载均由引伸计应变控制。试件SA-19（加工态）的加载制度为以应变幅值1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%和11%各循环一圈。

（2）对编号为SA-19（退火态）、SA-12和SA-6的试件进行应变幅值递增的加卸载循环拉伸试验，加载和卸载均由引伸计应变控制。试件SA-19（退火态）的加载制度为以应变幅值1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%各循环一圈；试件SA-12和SA-6的加载制度为以应变幅值1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%和6%各循环一圈。

（3）对编号为CL-19、CL-12和CL-6的试件分别进行多圈循环拉伸试验，加载和卸载均由引伸计应变控制，加载速率为7×10-5／s，卸载速率为1.4 ×10－4／s。试件CL-19的加载制度为以应变幅值2.5%循环20圈；试件CL-12和CL-6的加载制度为以应变幅值5%循环20圈。

3 试验结果与分析

3.1 热处理工艺对NiTi形状记忆合金棒材超弹性的影响

图5绘制了热处理工艺对形状记忆合金的超弹性性能的影响曲线。比较图5（a）和图5（b）可以看出，同为直径19 mm的棒材，加工态形状记忆合金的可恢复弹性应变为1.5%，而退火态形状记忆合金的可恢复弹性应变为2.5%。此外，退火态形状记忆合金在拉伸到4.5%应变时的残余应变约为1.8%，而加工态形状记忆合金在拉伸到同样应变幅值时的残余应变约为2.8%，即后者残余应变较前者更大。由此可见，热处理工艺可以改善形状记忆合金的超弹性性能。

图5 加工态和退火态SA-19试件的应力—应变关系Fig.5 Effect of annealing treatment on stress-strain curve of SA-19 bar

从图5（a）可以看出，棒材在加载到10%应变幅值之后继续加载，当加载应变达到9.5%时棒材发生脆性断裂，断口平齐，无明显颈缩现象（图6）。

图6 加工态形状记忆合金断口形状Fig.6 Fracture section of the SA-19 bar

3.2 应变幅值对NiTi形状记忆合金棒材超弹性的影响

图7绘制了应变幅值递增循环拉伸时NiTi形状记忆合金棒材的应力-应变关系曲线。可以看出，加载初期NiTi形状记忆合金的正相变平台相对稳定，但是逆相变平台随着应变幅值的增大而不断降低，且下降幅度较正相变平台要大的多。SA-19试件在加载的应变幅值超过3%之后，正向变平台已经开始显著降低；而SA-12和SA-6试件在应变幅值超过5%之后，正相变平台才开始降低。

图7 应变幅值递增循环拉伸时SMA棒材的应力—应变关系Fig.7 Effect of strain amplitude on stress-strain curves of SMA bars

图8 （a）绘制了应变幅值递增循环拉伸时马氏体相变开始时应力σMs的变化曲线。可以看出，随着应变幅值的增加，σMs总体呈下降趋势。如图8（b）所示，超弹性SMA的残余应变εres在循环拉伸荷载作用下将不断积累。对于试件SA-19，当εmax小于2.5%时，残余应变较小，残余应变累积的速率也较小；当εmax大于2.5%时，累积速率开始增大，残余变形也更大。这是因为当应变幅值足够大时，应力诱发马氏体相变结束后，材料已经完全处于马氏体状态，继续加载时会发生不可逆的马氏体弹塑性变形，这部分变形即使在卸载时仍然无法恢复。由此可见，应变幅值越大，NiTi形状记忆合金棒材的残余应变也越大。

如图8（c）所示，SA-19、SA-12和SA-6试件的等效阻尼比ξeq随着应变幅值的增大而增大，当加载的应变幅值超过3%之后，ξeq增加的速度开始变慢。这主要是因为马氏体逆相变平台的退化造成的。

图8 应变幅值对SMA超弹性的影响Fig.8 Effect of strain amplitude on themechanical properties of SMA bar

3.3 循环次数对NiTi形状记忆合金棒材超弹性的影响

图9绘制了应变等幅循环拉伸时NiTi形状记忆合金棒材的应力-应变关系。可以看出，随着循环次数的增加，NiTi形状记忆合金棒材的正逆相变平台都将不断降低；不仅如此，正逆相变平台随着循环次数的增加而发生退化，且逆相变平台的退化更加明显。试件CL-6由于长细比过大，在卸载过程中发生了屈曲现象。

如图10（a）所示，试件CL-19的残余应变随着循环次数的增加而不断累积增大。加载初期，εres比较小，但是增长速度却很快；当循环次数大于4时，εres增长速度下降，且逐渐趋于稳定，这时材料已经经过“锻炼”，开始呈现出明显的完全超弹性。图10（b）为试件CL-19在一个加卸载循环内的能量耗散值ΔW随着循环次数的变化曲线。随着循环次数的增加，ΔW不断减小，且衰减速度先快后慢，最终趋于稳定。

4 结 论

本文通过试验研究了不同直径NiTi形状记忆合金棒材在不同加载制度下的超弹性力学性能，着重考察了应变幅值和循环次数的影响。主要结论如下：

（1）由于加工工艺和设备条件的限制，直径为19 mm的国产NiTi形状记忆合金并不能获得良好的超弹性性能，其最大可恢复弹性应变约为2.5%；而直径为12 mm的NiTi形状记忆合金在加载到5%应变时，其残余应变小于1%，具有很大的工程应用潜力；直径为6 mm的NiTi形状记忆合金在往复荷载作用下容易发生受压屈曲，在工程中应用时应特别注意。

（2）应变幅值对NiTi形状记忆合金棒材的性能有重要影响。当应变幅值超过某一特定值（2.5%或5%）时，国产NiTi形状记忆合金棒材将经历较大的力学性能退化，其相变应力减小，残余应变增大，同时耗能能力也开始变小。

图9 应变等幅循环拉伸时SMA棒材的应力-应变关系Fig.9 Effect of cyclic loading on themechanical properties of SMA bar

图10 循环次数对SMA超弹性的影响Fig.10 Effect of cyclic loading on themechanical properties of SMA bar

（3）循环次数对NiTi形状记忆合金棒材的性能也有重要影响。随着循环次数的增加，NiTi形状记忆合金棒材的性能衰退先快后慢，最终达到稳定状态。这种“锻炼”方法可以使得材料达到完全的超弹性。

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Experimental Investigation on M echanical Properties of Shape M emory Alloy Bars in Different Sizes

WANGWei1，2SHAO Hongliang2，*
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Shapememory alloys in austenite states can recover to the original shape after experiencing large deformations，which is called superelasticity.For the engineering application of this unique property，an experimental study was conducted on the mechanical properties of large-sized NiTi bars in the austenite states at room temperature.Themechanical parameters such as transformation stress，residual strain and dissipated energy were studied with different strain amplitude and cyclic loading.The experimental results indicate that the largest recoverable strain of domestic NiTi bar（19mm in diameter）is 2.5%，which lags behind the foreign NiTi bar.The 12mm-in-diameter NiTi bar is suggested to be applied to joints of the steel structure for a good recentering performace with themaximum recoverable strain of 5%.It should be considered during engineering application that themechanical properties of NiTibars is greatly influenced by strain amplitude and cyclic loading.

shapememory alloy，NiTi，superelasticity，mechanical property，steel structure，recentering

2013－05－07

国家自然科学基金重点项目（51038008）资助*联系作者，Email：weiwang＠tongji.edu.cn