形状记忆合金性能及结构加固应用综述

黎晓达 黄海帆

（广东工业大学 土木与交通工程学院）

0 引言

自1932年瑞典科学家奥兰德首次发现形状记忆效应以来，人类对形状记忆合金的研究已经持续了近百年。随着研究的深入，作为一种新型智能材料，形状记忆合金特有的超弹性和形状记忆效应等特性逐渐被人们所认知。将形状记忆合金的特性应用土木工程中，能够有效改善结构的受力情况，对结构的开裂、变形具有一定程度上的抑制和主动修复的作用。

1 形状记忆合金分类

目前被广泛应用的形状记忆合金主要有NiTi基、Cu基和Fe基三大类。这之中NiTi形状记忆合金具有最优秀的形状记忆效应和超弹性，被广泛应用于航天航空和生物医学领域，但是其生产成本较高，较Cu基和Fe基的更为昂贵，难以推广；对比之下Cu基形状记忆合金价格较为低廉，其价格约为NiTi形状记忆合金的十分之一，但是其综合力学性能较差并且形状记忆效应不稳定。与NiTi基、Cu基形状记忆合金相比，Fe基的成本低廉，并且具有较高的强度和较好的形状记忆效应，同时焊接性能较好，与土木行业实际需求相性良好，在土木工程领域具有较好的应用前景。

2 形状记忆合金主要性质

形状记忆效应和超弹性是形状记忆合金区别于一般材料最重要的两种性质，其本质都是形状记忆合金内部两种晶体形态，即马氏体和奥氏体相互转变在宏观上的具体表现，其中奥氏体转变为马氏体的过程称为马氏体相变，而马氏体转变为奥氏体的过程称为马氏体逆相变。马氏体稳定存在于相对低温的环境中，其存在马氏体开始和结束温度两个温度点，分别为Ms和Mf，而奥氏体则更适应于相对高温的环境中，并且存在奥氏体开始和结束两个温度点，分别为As和Af。一般情况下，四个温度点满足Mf＜Ms＜As＜Af的关系。

2.1 形状记忆效应

若在形状记忆合金处于奥氏体，环境温度位于Ms与As之间时对形状记忆合金进行拉伸，应力的存在会驱使奥氏体发生马氏体相变转变为马氏体，这部分马氏体在卸载后会保留下来同时伴随着宏观上的残余变形。当将带有残余变形的形状记忆合金加热至奥氏体开始温度As时，马氏体便会发生马氏体逆相变重新转变成为奥氏体，并且随着马氏体逆相变的进行残余变形会逐渐恢复，直至马氏体完全转变为奥氏体，残余变形完全恢复。这种能够完全恢复残余变形的能力即为形状记忆合金的形状记忆效应。

2.2 超弹性

当在形状记忆合金所处的温度高于奥氏体开始温度As的条件下，对形状记忆合金进行加载，在加载过程中由于应力作用奥氏体会转变为马氏体，但是由于环境温度较高，该部分由应力诱发的马氏体无法稳定存在，因此在卸载过程中，随着应力的逐渐下降，马氏体会逐渐转变为奥氏体同时恢复其在拉伸发生的变形。这种在卸载后就能完全恢复变形的能力即为形状记忆合金的超弹性。

3 形状记忆合金相变性能改善

形状记忆合金的两种主要性质--形状记忆效应和超弹性都是通过合金内部的相变变化来实现的。然而在加工过程中通常都会对形状记忆合金进行冷拉处理，而冷拉的过程会拉长合金内部的晶格，使其产生位错和内部缺陷。这些内部晶格的畸变会阻碍相变过程的顺利进行，使得外界的温度或者应力作用无法顺利转化为消除阻碍和马氏体相变所需要的驱动力，致使形状记忆合金失去相变能力，严重影响其使用效果。此时需要对形状记忆合金进行热处理，改善其形状记忆效应和超弹性，以更有效地利用形状记忆合金的特性。

3.1 完全退火处理

当形状记忆合金经过冷拉加工而未经退火处理时，其应力应变曲线如图1所示。

图1 退火前形状记忆合金应力应变曲线

由图1可知，形状记忆合金的应力应变曲线在加载过程中单调增长，整个试验过程中没有表现出明显的相变变化；同时它的极限应变仅为14%，远小于一般形状记忆合金的极限应变，同时其极限强度较高，约为1400MPa，表现出明显的冷作硬化特征。这样的形状记忆合金由于没有出现相变过程，失去了其独特的形状记忆效应和超弹性，因此无法应用于实际工程。为了改善形状记忆合金的相变性能，需要对其进行完全退火处理。使用马弗炉对形状记忆合金进行退火处理，采用的退火条件为900℃环境恒温20min，然后取出自然冷却至室温。在进行完全退火处理后，再对形状记忆合金进行拉伸试验，其应力应变曲线如图2所示。

图2 退火后形状记忆合金应力应变曲线

可以发现对比退火前，形状记忆合金的强度由1400MPa降低到900MPa，同时极限应变由14%增大到35%，并且在应力约为550MPa时出现了类似于屈服段的相变平台，说明其内部重新出现了相变变化，表明形状记忆效应和超弹性得到改善，可以应用于实际工程。

3.2 DSC测试

由于形状记忆合金发生相变变化时会出现吸热放热反应，而DSC测试可以测出材料在升降温过程中吸热放热的数值，因此可以通过DSC测试进一步确定形状记忆合金内是否发生了相变变化。退火后形状记忆合金的DSC测试结果如图3所示。

图3 退火后形状记忆合金DSC测试结果

根据图3可以发现，在温度约为-14℃时曲线上出现了较大的热流变化，这说明在该位置形状记忆合金内部出现了吸热放热的现象，说明其出现了相变变化，即表明形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性得到了改善，能够应用于实际工程中。

4 形状记忆合金在混凝土加固中的应用

基于形状记忆合金的两种特性，其在结构加固中的应用主要有两个方向，即分别是利用形状记忆效应和超弹性对结构进行加固和修复。

4.1 基于形状记忆合金的预应力加固

由于形状记忆效应的存在，对预拉伸的形状记忆合金进行加热，可以恢复其在预拉伸阶段发生的形变。如果在加热时形状记忆合金两端锚固，则形状记忆合金会因为无法发生形变进而产生相应的回复力。此时若将形状记忆合金两端锚固在结构构件上再对其进行热激励，便可以通过形状记忆效应产生的回复力对混凝土结构构件进行预应力加固或者修复结构在受力过程中出现的裂缝。

对预变形后的形状记忆合金丝进行热激励，使其温度到达奥氏体完成温度，其产生的回复力运用于混凝土的预应力加固中具有巨大优势。胡美玲[1]通过使用NiTiNb形状记忆合金对混凝土梁进行加固，试验采用了不同数量的形状记忆合金，同时对比了激发与不激发形状记忆效应的加固效果，发现通过激发形状记忆效应可以有效减小梁的挠度，同时对梁的承载能力也有一定的提高。王俊君[2]利用NiTi形状记忆合金对混凝土梁进行裂缝修复，发现形状记忆效应能在一定程度上提高混凝土梁的开裂荷载，同时还能对加载过程中产生的裂缝实现有效修复。崔迪[3]将形状记忆合金绞线作为主筋埋入混凝土梁中，由于SMA的形状记忆效应产生的预应力，加固梁的变形，裂缝开展和极限承载力均有增加。Czaderski[4]和Hong[5]通过使用铁基的形状记忆合金对混凝土梁进行预应力加固，激励后的形状记忆合金能产生大量的回复力（250～400MPa），能应用于混凝土的预应力加固中。王文炜[6]使用CFRP与形状记忆合金对混凝土梁进行复合加固，通过通电升温的方式使形状记忆合金丝回复，从而将预应力引入CFRP片材中，使用复合加固技术后，加固梁的开裂，屈服荷载有显著的提升，同时刚度也得到了提高。

4.2 超弹性的应用

具有超弹性的形状记忆合金在承受荷载发生形变之后，随着卸载过程的进行其形变也会逐渐恢复而不会有残余变形。因此超弹性形状记忆合金常被应用于制作阻尼器以耗散结构在承载过程中外部输入的能量，减小结构承载后的残余变形。同时，超弹性产生的被动压力也可以应用于结构的被动加固。

程光明[7]将具有超弹性的形状记忆合金应用在连梁系统中，发现在对连梁进行往复加载时，超弹性形状记忆合金能有效增大结构的耗能能力，减小加载过程中结构产生的变形，同时超弹性的存在使得结构在卸载后变形会逐渐回复，不过随着加载次数的增多形状记忆合金的恢复能力会减弱，因此要及时对形状记忆合金进行预紧。裴金召[8]利用超弹性形状记忆合金取代框架节点位置的钢筋，然后对节点进行往复加载，结果发现节点获得了一定的自复位能力，同时刚度下降速度较一般节点更慢，说明超弹性的应用一定程度上提高了节点的延性。任泽鹏[9]使用超弹性形状记忆合金丝对混凝土柱进行缠绕加固，试验设置了不同的形状记忆合金预变形量、形状记忆合金用量和柱的轴压比，发现超弹性形状记忆合金的用量增大能有效改善柱的力学性能，提高其承载能力，同时改变了破坏模式，由脆性破坏转变为延性破坏。

5 结束语

通过形状记忆效应产生的回复力对混凝土结构构件进行预应力加固具有巨大的优势和潜力。使用形状记忆合金加固后，加固结构的变形和裂缝有很好的抑制作用，同时结构的承载力和刚度显著提高。然而形状记忆合金在实际应用时，由于环境条件的限制，难免会碰到形状记忆合金退火不完全或者没有经过退火处理的情况。改善其热处理方式，对其进行完全退火处理，能改善形状记忆合金的具体性能，这为工程提供了具有实际意义的参考。