热处理对SMA弹簧超弹性耗能性能的影响

吕泓旺，宋 阳，梅 斌

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070;2.武汉广业勤建设工程有限公司，武汉 430000)

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)是一种新型智能材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性[1,2]，因此广泛应用于航天航空、机械电子、生物医疗等多个精密尖端领域。近年来，形状记忆合金在土木工程中的研究有了较快的发展，其中形状记忆合金弹簧在土木工程领域中具有广泛的应用前景[3-5]。形状记忆合金弹簧在土木工程的应用主要利用的是其良好的超弹性耗能性能，将其与传统的阻尼器和隔震支座相结合，组成被动减震体系，控制结构的地震响应[6,7]。

不同的热处理加工方式对形状记忆合金材料的力学性能具有不可忽视的影响，目前国内外学者主要侧重于热处理对形状记忆合金丝的影响研究。例如，吴波[8]等分析了不同热处理工艺后，形状记忆合金材料超弹性滞回性能在不同温度和不同应变幅值下的变化规律，探讨了热处理前后该材料力学性能的变化以及加载频率的影响。黄兵民[9]等研究了冷拔量、热处理工艺参数对Ti-49.8%Ni合金丝的超弹性的影响，获得其最大超弹性应变量的处理工艺为冷拔量39%、退火温度723 K、保温时间30 min。但是到目前为止，关于热处理方法对SMA弹簧力学性能的影响研究还不多。在文献[10]中，颜世春等研究了不同的热处理工艺对TiNi弹簧的热出力比及热回复温度的影响。然而热处理对SMA弹簧超弹性耗能性能的影响尚缺系统的研究。该文选用Ni含量为50.8%的NiTi合金丝，采用不同的热处理工艺将其加工成8根弹簧，通过一系列拉伸试验，探讨了热处理工艺中加热温度和加热时间对形状记忆合金弹簧的超弹性耗能性能的影响。该项研究对于SMA弹簧的加工与应用具有较好的参考价值。

1 试 验

试验使用的合金材料为某国产NiTi合金丝(Ni含量为50.8%)，该合金丝的丝径为0.6 mm。在加工弹簧时，首先选择外径为10 mm的钢螺栓，并将足够长的NiTi合金丝缠绕在上面，然后将合金丝两端固定，放入马弗炉中进行加热。在马弗炉中加热一段时间后，将其取出并放置在空气中自然冷却至室温，此为一个循环。一共要重复3次这样的热处理循环。训练SMA弹簧时也可采用如文献[10]所示的水淬即冷水降温。因文中采用的形状记忆合金丝空气冷却的效果比水冷要好，故而只考虑自然冷却的降温方法。最后，取下加工好的弹簧，截取5圈形状规整的节段。该文共制作了8根弹簧(见图1)，每根弹簧分别采用不同的热处理工艺，加热温度与时间的具体参数见表1。

表1 8根SMA弹簧的热处理工艺参数

弹簧编号处理方法1温度350℃，时间20min2温度350℃，时间30min3温度350℃，时间60min4温度450℃，时间20min5温度450℃，时间30min6温度450℃，时间60min7温度550℃，时间20min8温度650℃，时间20min

将制作好的弹簧固定于型号为HD-B609B-S的拉伸试验机上进行拉伸试验(见图2)。加载在实验室内完成，在试验过程中，实测室温为12 ℃，室内环境温度的变化较小，可以认为加载时环境温度对弹簧力学性能没有影响。弹簧的加载速度为100 mm/min，采样频率为480点/min。加载按位移控制，弹簧的加载长度分别控制为40 mm和100 mm，便于后续对弹簧的超弹性耗能性能进行分析。

2 结果与讨论

为了评价SMA弹簧的耗能性能，选取了能量耗散系数、单位循环耗能和等效阻尼比三个指标对SMA弹簧的超弹性耗能性能进行评价。

2.1 形状记忆合金弹簧耗能性能的评价指标

2.1.1 能量耗散系数

一根形状记忆合金弹簧在一次加卸载循环下的力-位移关系曲线可以用图3来表示。图3中面积A1和A2分别为弹簧在一个循环内消耗和存储的能量。这里，定义X=A1/(A1+A2)为形状记忆合金弹簧的能量耗散系数。

2.1.2 单位循环耗能

根据文献[11]，弹簧的单位循环耗能Wd为SMA弹簧在一次加卸载循环下力-位移曲线包围的面积，即图3中的面积A1。

2.1.3 等效阻尼比

弹簧的等效阻尼比ξeq[11]可由下式表示

(1)

其中，Keq为等效刚度[11]，其表达式为

(2)

式中，Fmax和Fmin分别为单次加载中的最大输出力和最小输出力；Dmax和Dmin分别为单次加载中的最大输出位移和最小输出位移。

为了保证形状记忆合金弹簧在结构的减振控制中充分发挥其耗能性能，应尽可能地让加工训练出的SMA弹簧的能量耗散系数X、单位循环耗能Wd和等效阻尼比ξeq变大。

为了清楚说明问题，在研究热处理对SMA弹簧超弹性耗能性能的影响时，拉伸试验加载采用了单次加卸载方式。主要考虑是，在试验中发现，在等位移幅值加载方式下，多次循环对试验结果影响不大，而且残余位移可以忽略。另外，加载频率和变位移幅值等加载方式对SMA弹簧超弹性耗能性能的影响这里没有给出，具体结果可参见文献[12]。

2.2 热处理工艺对SMA弹簧超弹性耗能性能的影响

通过对加工出的8根SMA弹簧进行一系列拉伸试验，得到了这些弹簧在单次加卸载作用下的超弹性力-位移关系曲线，这里重点研究了热处理工艺中加热时间与加热温度对弹簧的力学性能影响。

2.2.1 热处理的加热时间对加工弹簧的耗能性能影响

为了研究热处理加工中的加热时间对加工弹簧的性能影响，根据已有试验经验[12],这里将加热时间划分为20 min、30 min和60 min等3种工况，并将加热温度设为350 ℃，这组热处理工艺对应的加工弹簧分别为1～3号弹簧(如表1所示)。通过拉伸试验，得到加载位移为100 mm的3根弹簧的力-位移关系曲线如图4所示。图4中标示的“350-20”是指训练弹簧时的加热温度为350 ℃，保持时间为20 min，其它的标示意义类似。

初步判断出热处理时的加热时间对弹簧耗能能力影响不大。进一步，利用试验所得到的力-位移关系曲线，可计算出三根弹簧的评价指标，结果如表2所示。从图4可以看出，单循环荷载下3根弹簧的滞回面积相差不大，其中2号弹簧的稍大一些。

表2 1～3号SMA弹簧的耗能评价指标

由表2可以看出：当热处理的加热时间从20 min增至30 min时，弹簧各项耗能评价指标均有小幅度上升，其中，能量耗散系数X由40.7%增至42.8%，提高了5.16%，单位循环耗能Wd由0.070 5增至0.083 2，提高了18.01%，等效阻尼比ξeq由3.32%增至3.45%，提高了3.91%。当加热时间从30 min增至60 min时，弹簧的各项指标均有小幅度下降，其中，能量耗散系数X由42.8%减至39.7%，下降了7.24%，单位循环耗能Wd下降了13.10%，等效阻尼比ξeq下降了3.77%。综合来看，在不同加热时间下，加工弹簧的X、Wd和ξeq变化不大，因此，热处理的加热时间对SMA弹簧的超弹性耗能性能的影响不明显。

另外，从表2中还可以发现，在相同加热温度下，加工弹簧的耗能系数、单位循环耗能和等效阻尼比随着加热时间的增加呈先增大后减少的趋势。对于该文训练的NiTi(Ni含量为50.8%)形状记忆合金弹簧，在350 ℃下的耗能性能达到最优时的加热时间是在30 min。

当热处理的加热温度为450 ℃时，对应不同加热时间(20 min、30 min和60 min)的加工弹簧分别为4～6号弹簧。对这3根弹簧进行加载位移幅值为40 mm的拉伸试验，可以得到3根弹簧的力-位移关系曲线如图5所示。

和图4类似，图5显示出3根弹簧的滞回面积相差不大。同样地，应用所得到的试验数据，可以计算出3根弹簧的3个评价指标，结果如表3所示。

表3 4～6号SMA弹簧的耗能评价指标

从表3可以看出：对应于450 ℃的加热温度，热处理时间为20 min的SMA弹簧的耗能性能最优。对比350 ℃下的弹簧耗能性能最优的加热时间(30 min)，可以发现，随着加热温度的升高，具有最优耗能性能的弹簧对应的热处理时间有减小的趋势。

2.2.2 热处理的加热温度对加工弹簧的耗能性能影响

为了研究热处理的加热温度对加工弹簧的性能影响，按照文献[12],这里将热处理的加热温度划分为350 ℃、550 ℃和650 ℃等3种工况，并且选取加热时间为20 min，这组热处理工艺对应的弹簧分别为1、7和8号弹簧(如表4所示)。然后，利用弹簧的拉伸试验，可以得到加载位移为100 mm的3根弹簧的力-位移关系曲线如图6所示。

从图6可以看出，单循环荷载下，7号弹簧的滞回面积明显大于另外两根弹簧。初步判断出热处理时加热温度对弹簧耗能能力影响很大。进一步，利用试验所得到的力-位移关系曲线，可计算出三根弹簧的评价指标，结果如表4所示。

表4 1、7和8号弹簧的耗能评价指标

从表4可以发现：当热处理的加热温度从350 ℃增加到550 ℃时，弹簧各项耗能指标均有大幅度上升，其中，能量耗散系数X由40.7%增至56.0%，提高了37.59%。单位循环耗能Wd由0.070 5增至0.123 9，提高了75.74%。等效阻尼比ξeq由3.32%增至4.27%，提高了28.61%。当加热温度从550 ℃增加到650 ℃时，弹簧各项指标均有大幅度下降。其中，能量耗散系数X下降了64.82%，单位循环耗能下降了51.49%，等效阻尼比ξeq下降了65.81%。总体来看，加工弹簧时，随着热处理加热温度的升高，3个评价指标X、Wd和ξeq的变化很大。因此，相对于加热时间，热处理的加热温度对加工好的SMA弹簧的超弹性耗能性能影响更大，即弹簧的力学性能对加工时的加热温度更加敏感。

同时，从表4可以看出，在相同加热时间下，SMA弹簧的能量耗散系数、单位循环耗能和等效阻尼比随着热处理的加热温度的升高呈先增大后减少的趋势。这是因为在最优加热温度时，母相(即相变前的相状态)中位错密度较高，母相得到强化，从而改善了超弹性耗能性能。随着加热温度的升高，特别是接近再结晶温度时，位错密度下降，母相强化效应减弱，训练出的弹簧的超弹性耗能性能会变坏。对于该文研究的NiTi(Ni含量为50.8%)形状记忆合金弹簧，当热处理的加热时间为20 min时，最优加热温度为550 ℃，这与王高潮[13]等人的研究成果吻合。在给定的试验条件下，弹簧最好的超弹性耗能系数达到了56.0%，与SMA丝材相比，该指标远超国产形状合金丝的30%[8]，接近国外同类材料的60%[14]。因此，该文研究对于采用合适的热处理工艺加工国产SMA弹簧具有较好的参考价值。

3 结 论

对一国产NiTi合金丝，经不同热处理方式制成了8根具有超弹性的SMA弹簧，并在室温下进行了单循环荷载作用下的形状记忆合金弹簧的拉伸试验。通过分析多个试件的试验结果，得到了如下主要结论：

a.训练形状记忆合金弹簧时，随着热处理加热时间的增加，弹簧的超弹性耗能性能先提高后下降，存在一个最优加热时间。且随着加热温度的升高，最优加热时间有减小的趋势。

b.在相同加热时间下，随着热处理加热温度的升高，加工的形状记忆合金弹簧的超弹性耗能性能同样会先提高后下降，存在一个最优加热温度。该文研究的Ni含量为50.8%的NiTi合金弹簧的最优加热温度约为550 ℃。

c.热处理的加热温度对弹簧的超弹性耗能性能的影响比加热时间的影响更大，更容易通过控制热处理中的加热温度来达到改善形状记忆合金弹簧力学性能的目的。

总的来说，在热处理中选择适当的加热温度和加热时间，可以有效地改善形状记忆合金弹簧的超弹性耗能性能，使其更好地应用于工程结构的减震。

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