用于阻尼器的不同直径NiTi丝力学性能试验

黄　瑞，戴世群，郑继周，2( .山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安27000；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安27000)



用于阻尼器的不同直径NiTi丝力学性能试验

黄瑞1，戴世群1，郑继周1，2
( 1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安271000；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271000)

摘要：通过对3种不同直径NiTi形状记忆合金丝进行多工况循环加载试验，研究循环次数、应变幅值和加卸载速率对等效刚度、单循环耗能以及阻尼特性的影响。研究表明：经过多次加卸载循环进入稳定期后，形状记忆合金丝的力学性能表现出良好的重复性。对于直径相同的形状记忆合金丝，等效刚度、单循环耗能和等效阻尼比都随循环次数的增加而降低。随着应变幅值的增大，等效刚度减小，而单循环耗能近似线性增加。研究结果对于开发形状记忆合金被动阻尼元件具有指导意义。

关键词：振动与波；形状记忆合金；超弹性；性能试验；力学性能

在众多的功能材料中，形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）具有两个非常独特的性质：形状记忆效应和超弹性[1–4]。形状记忆效应是指具有某种形状的SMA制品，在变形以后可以通过加热等方式使其恢复原始形状。超弹性是指处于奥氏体状态的SMA，当加载应力超过弹性极限后，继续加载将发生由应力诱发的马氏体相变；当应力去除后，伴随着马氏体逆相变，应变可以完全恢复。在加、卸载过程中，出现比较饱满的迟滞环，使其具有较强的能量耗散能力[5]。此外，SMA还具有耐腐蚀、抗疲劳、可恢复变形大等优点，其可恢复应变高达6 %～8%，屈服应力在400 MPa～500 MPa左右，与钢材相当；但其极限强度超过1 000 MPa，极限变形高达20 %。利用这些特性，可以制作SMA阻尼器，用于结构振动的被动控制。

国内外不少学者在SMA被动阻尼器的开发与应用方面进行研究。任文杰[6]建立基于SMA的X形板阻尼器的力学模型。彭刚[7]提出SMA阻尼器的阻尼特性分析及器件设计方法。钱辉[8]设计一种新型SMA阻尼器，并对其力学性能进行数值模拟。刘爱荣[9，10]进行新型SMA长拉索系统振动控制和斜拉桥振动控制研究。申文求[11]、肖尔田[12]、Graesser[13]和Feng[14]也对SMA丝减震器的应用做了相应研究。为了研制适用于工程结构的具有自复位功能的SMA阻尼器，钱辉[15]通过试验考察三种直径SMA丝力学性能。

在现有的文献中，直接针对SMA减振器的研究居多，而对于SMA丝的力学性能关注较少。因此，在设计阻尼器时往往缺乏相应的参考资料。为了开发适用于小型精密机械的SMA阻尼器，对三种不同直径的NiTi SMA丝进行了拉伸试验，并研究了响其力学性能的一些关键因素，如循环加载次数、应变幅值、加载速率等。

1　NITi丝力学性能试验

1.1试验材料及设备

采用的NiTi SMA丝含Ni50.8 %、Ti 49.2 %，奥氏体相变结束温度Af为5oC，即常温下材料为奥氏体。试件有三种直径，分别为0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm。长度为150 mm，标距为100 mm。SMA丝的力学性能试验在山东农业大学力学实验室的JNT 150522型电液伺服动静万能试验机上进行。该试验机力传感器量程为5 kN，加载速率范围为0.1 mm/ min～500mm/min。

1.2试验方案

试验采用等速位移方式施加拉伸载荷。利用试验机上的力传感器和位移传感器采集试件的负荷和位移，然后对采集的数据进行处理，以获得所需要的应力-应变曲线。

1)等速率等幅值循环加载试验，研究循环次数对SMA丝力学性能的影响。

加卸载速率为10 mm/min，应变幅值为5 %，每种直径的SMA丝连续加卸载50个循环。

2)等速率变幅值循环加载试验，研究应变幅值对SMA丝力学性能的影响。

加卸载速率为1 mm/min，应变幅值分别为4 %、5 %、6 %、7 %、8 %，每个幅值加卸载五个循环，一个幅值做完后紧接着进行下一幅值试验，分析时只取每种幅值的最后一个循环。

3)等幅值变速率循环加载试验，研究加载速率对SMA丝力学性能的影响。

应变幅值为5 %，加卸载速率分别为1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min、20 mm/min，每个速率加卸载5个循环，一种速率做完后紧接着进行下一速率试验，分析时只取每种速率的最后一个循环。

1.3拉伸试验结果

在加卸载速率为10 mm/min、应变幅值为5 %条件下，三种不同直径SMA丝50次加卸载循环的应力-应变曲线如图1所示。由于循环次数较多，图中未对其一一标注。观察发现，随着循环次数的增加，SMA丝应力-应变曲线逐渐下移，其中第一循环由于内应力作用使其加卸载应力较大，随循环次数的增加SMA丝内部组织趋于稳定，内应力逐渐降低，加之SMA丝长时间处于拉伸状态,使其应力松弛，发生蠕变反应，致使加载所需的应力降低。在50次循环的中后期，应力-应变曲线变化的幅度逐渐减小，曲线越来越密，到最后几乎重合。由于加载曲线下移明显而卸载曲线变化较小，导致单循环加卸载曲线包围的面积逐渐减小。

加卸载速率保持为1 mm/min，应变幅值分别为4 %、5 %、6 %、7 %和8 %时，三种直径SMA丝的应力-应变曲线绘制于图2中。由图2可得，随着应变幅值的增大，加载曲线经历了三个阶段：

1)应变幅值在0～1.5 %时为奥氏体弹性拉伸阶段；

图1　循环次数对应力应变的影响

图2　不同加载幅值时的应力-应变曲线

2)应变幅值在1.5%～6%时为奥氏体向马氏体的转变阶段；

3)当应变幅值在6 %～8 %时为马氏体弹性拉伸阶段。

卸载曲线同样经历了三个阶段分别为：

1)马氏体弹性卸载阶段。

2)马氏体向奥氏体逆相变阶段。

3)奥氏体弹性卸载阶段。

由于各阶段组织结构的不同导致SMA丝在不同应变幅值时的弹性模量不同。其中奥氏体和马氏体弹性拉伸阶段的弹性模量较大，奥氏体和马氏体转化过程的弹性模量较小。加卸载曲线所包围的面积为SMA丝每循环所消耗的能量，同种直径的SMA丝应变幅值越大，滞回曲线包围的面积越大，耗能越多。

应变幅值为5 %，加卸载速率分别为1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min、20 mm/min时，三种直径SMA丝的应力-应变曲线如图3所示。由图3可见，随着加载速率的提高，加载应力均有所提高，这与材料的粘性变形特性紧密相关，当加载速率提高时会导致分子间的摩擦速率增加，分子间的滑动需要克服范德华力以及滑动摩擦力等，增加滑动速率必须增加应力以克服分子间的滑动阻力，因而要产生同样的变形率需要较大的应力。

图3　不同加载速率时的应力-应变曲线

2　SMA力学性能分析

为便于研究SMA丝力学性能，定义三个参数：等效刚度K、等效阻尼比ζ和每循环耗散能量WD，图4为超弹性SMA丝的应力-应变示意图。

1) WD为应变幅值为εδ时加卸载曲线包围的面积，表征SMA每次循环的耗能能力；

2)等效刚度K为应力-应变曲线起点与终点连线的斜率，表达式为

3)等效阻尼比ζ表示SMA丝的阻尼能力，即SMA丝在单向拉伸然后卸载条件下的阻尼比。表达式为；其中WE为总应变能，

3种直径SMA丝的力学特性随循环次数的变化如图5所示。可以看出，随着循环次数的增加，SMA丝的等效刚度稍有下降，随后基本保持不变。单循环耗能和等效阻尼比都随循环次数的增加而降低，但20次循环前下降趋势比较明显，20次循环后下降趋势逐渐放缓。因此，可以将20次循环作为一个分界点，将20次循环后称为稳定期。

循环次数相同时，0.8 mm丝的等效刚度较大；0.5 mm丝的等效刚度最小，仅为前者的2/3左右；0.6mm丝的等效刚度基本相等，介于二者之间。

不同直径SMA丝的单循环耗能差别较大，且单循环耗能随循环次数的增加而降低，进入稳定期后下降趋势变缓。0.6 mm丝的单循环耗能约为0.8 mm丝的三倍。

图4　超弹性SMA丝的应力-应变示意图

等效阻尼比的变化非常类似于单循环耗能。进入稳定期后，0.6 mm丝的等效阻尼比最大，0.8 mm丝的等效阻尼比最小，最大等效阻尼比约为最小等效阻尼比的三倍。

图6为SMA丝在不同应变幅值时的力学特性曲线。由图可见，随着应变幅值的增大，等效刚度减小，而单循环耗能近似线性增加，二者呈现出较强的规律性。比较而言，等效阻尼比的变化幅度比较大。其中0.5 mm、0.6 mm丝的等效阻尼比先降后升，即在4 %和8 %两个应变幅值附近出现两个峰值，而应变幅值约为5 %时出现最小值。0.8 mm丝的等效阻尼比基本随应变幅值增加而单调增加，在应变幅值8%附近达到最大。

不同加载速率时SMA丝的力学特性曲线绘于图7中。可以看出，随着加载速率的增大，等效刚度逐渐增大，加载速率从1 mm/min到20 mm/min每种直径SMA丝的等效刚度增加均超过1 GPa。

随着加载速率的增大，0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm丝的耗能和等效阻尼比均呈现先增大后减小的趋势，其中0.5 mm丝和0.8 mm丝在10 mm/min左右取得耗能和等效阻尼比的最大值，0.6 mm丝在6 mm/min左右取得耗能和等效阻尼比最大值。

图5　循环次数对SMA丝力学性能的影响

图6　应变幅值对SMA丝力学性能的影响

3　结语

对0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm的NiTi SMA丝进行了拉伸试验，分析了不同直径SMA丝的等效刚度、等效阻尼比和单循环耗能随循环次数、应变幅值和加载速率的变化规律。最终可得出以下结论：

(1)经过20次左右应力循环后，SMA丝的力学性能趋于稳定，表现出良好的力学性能重复性。

(2)适当增大应变幅值和加卸载速率能够提高SMA丝的阻尼性能。

(3)随着循环次数的增加，相同直径SMA丝的等效刚度、单循环耗能和等效阻尼比都降低。

(4)随着应变幅值的增大，相同直径SMA丝的等效刚度减小，而耗能近似线性增加。

图7　速度对SMA丝力学性能的影响

参考文献：

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Mechanical Property Tests of NiTi Wires with Different Diameters Used for Dampers

HUANG Rui1, DAI Shi-qun1, ZHENG Ji-zhou1, 2
（1. Collegeof Mechanical and Electronic Engineering, ShandongAgricultural University, Tai’an 271000, Shandong China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai’an 271000, Shandong China）

Abstract:Cyclic loading tests of SMA wires with different diameters were conducted in various conditions, and the influenceof cyclic number, strain amplitudeand loading frequency on equivalent stiffness, energy dissipation per cycle, and damping properties was investigated. The results show that the mechanical behavior of the SMA wires manifests a good repeatability after the wires entering into a stable period through numerous cycles. For the SMA wires with the same diameter, the equivalent stiffness, energy dissipation per cycle, and the equivalent damping ratio decrease with the increase of cyclic times. With thestrain amplitudeincreasing, theequivalent stiffnessdecreaseswhiletheenergy-absorption increases linearly. Theresultshaveanintroductivesignificanceinthedevelopment of dampingelements.

Key words:vibrationandwave; shapememory alloy(SMA); super elasticity; performancetesting; mechanical behavior

通讯作者：戴世群（1991-），男，山东省莒县人，硕士生，主要研究方向为噪声与振动控制。 郑继周，男，硕士生导师。E-mail:zjzcorlor@163.com

作者简介：黄瑞（1990-），男，山东省东阿县人，硕士生，主要研究方向为形状记忆合金金属橡胶的工艺流程和性能试验研究。

基金项目：山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目（BS2010ZZ010）

收稿日期：2015-07-07

文章编号：1006-1355(2016)02-0189-05

中图分类号：TB535+.1；TB34

文献标识码:ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.042