室温下形状记忆合金丝拉伸力学性能试验研究

徐涛,隋杰英,魏征

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛266525；2.武汉理工大学 交通与物流工程学院，武汉 430063)

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)因其独特的形状记忆效应、超弹性等优异性能，被各个领域广泛应用，特别是在医疗器械、航空航天、机械制造、土木工程等领域。在土木工程领域当中，SMA主要应用于建筑结构的振动控制、消能减震、结构修复等方面[1-2]。利用SMA材料的超弹性，能够实现建筑结构在减隔震中的自复位，并且它的滞回曲线饱满，具有很好的消能作用。左晓宝等[3]对1 mm SMA丝进行试验性能研究，通过改变温度、循环次数、加载速率、幅值等应变参数，探究SMA丝相变应力、耗能能力等力学特性。张明明等[4]除探究SMA丝的主要参数外，还探究了0.5，0.8，1.0，1.2 mm四种不同尺寸的SMA丝之间的力学性能。阎石等[5]对形状记忆合金进行循环拉伸试验，并把试验结果与Grasser理论模型进行对比，探究影响SMA丝力学性能的主要影响因素。

图1 引伸计

目前，针对结构的振动控制、减震隔震工程的需要，本文通过改变循环次数、加载速率、加载幅值等影响SMA丝力学性能的几个核心参数，探究大尺寸2 mm SMA丝的各项力学性能，同时，对稳定状态下2 mm SMA极限应力-应变的测定，可以准确地得到2 mm SMA的最大应力和最大应变幅值，为2 mm SMA在结构振动控制、减震隔震中的应用提供试验依据[6-8]。

1 试验材料及试验方法

本次试验的材料采用的是2 mm Ni-Ti形状记忆合金丝，其化学成分：Ni51，Ti49(原子组分%)，试件长度200 mm，标距100 mm，其在室温条件下处于奥氏体状态。本次试验在常温条件下进行，试验时，对2 mm SMA丝施加一个微小的预拉力，以便使SMA丝能够拉紧，SMA丝的轴向变形由引伸计来测得，如图1所示。试验过程所测得数据由计算机数据采集系统采集。本次试验的具体试验方法见表1。

表1 试验方法

2 试验参数规定

在单个循环拉伸试验中，SMA丝典型的应力-应变曲线[9]如图2所示：OA段为SMA丝处于奥氏体弹性阶段，AB段为SMA丝由奥氏体向马氏体转变的过程；σMs，σMf为马氏体相变开始和相变结束的应力；B点为SMA丝由奥氏体向马氏体转变的结束点，当应力持续增加到C点，即BC段，以及卸载开始的BD段，SMA丝都处于马氏体状态，随着卸载的进行，DE段为SMA丝由马氏体向奥氏体转变的过程；σAs，σAf为奥氏体相变开始和相变结束的应力；EF段为SMA丝恢复到奥氏体状态；OF段为单个加卸载循环的残余应变εres。由OABDEF所围成的图形面积ΔW为单个循环的循环耗能，总的弹性储能则是OABG所围成的总面积W。

根据以上参数的确定及结构动力学相关知识，等效阻尼比采用下式计算：

(1)

式中：umax为单个循环的最大应变幅值；k为等效刚度，其计算公式为

图2 经典应力-应变关系曲线

(2)

式中：umin为单个循环的最小应变幅值；σmax，σmin为单个循环的最大和最小应力。

3 试验结果及分析

3.1 循环次数对2 mm SMA丝力学性能的影响

室温环境里，对2 mm SMA丝进行不同循环次数的加卸载试验，加载速率为10 mm/min，加载幅值为5%。应力-应变曲线如图3所示，等效阻尼比变化曲线如图4所示。

图4 等效阻尼比与循环次数关系曲线

由图3和图4可知，随着循环次数的增加，各相变应力、单圈循环耗能、等效阻尼比都有不同程度的降低，在2 mm SMA丝15次循环当中，各相变应力分别减少了231.33，113.19，90.46，98.16 MPa，但在前3次循环中各相变应力的减幅较大，分别减少了127.7，84.84，72.98，65.28 MPa，分别约占总减幅的55.2%，74.9%，80.68%，66.50%；单圈循环耗能在前5次循环当中减幅较大，约占总减幅的70.9%；等效阻尼比也在前5次循环当中减幅较大，减少了1.23%，约占总减幅的64.4%。当循环次数在5次以上时，各相变应力、单圈循环耗能、等效阻尼比减幅较缓，特别在13次以后，基本上达到了稳定状态。但是，残余应变随循环次数的增加而不断增加，前9次循环残余应变增速较快，增量为0.32%，约占残余应变总增量的88.9%，9次循环以后，残余应变呈缓慢上升趋势，当达到13次循环处于稳定状态时，残余应变不再变化。通过与相关文献1 mm SMA丝循环次数的对比，2 mm SMA随循环次数的增加更容易达到稳定状态。

3.2 2 mm SMA丝的极限应力和应变

在室温条件下，对稳定状态下的2 mm SMA丝进行极限拉伸试验，加载速率为10 mm/min。测得SMA丝的应力-应变曲线如图5所示。

由图5可知，随着加载的开始，处于奥氏体阶段的2 mm SMA丝应力-应变曲线基本呈线性上升关系；不断加载，2 mm SMA丝发生马氏体相变，从相变开始到相变结束，应力增幅约为64.79%，应变增幅约为637.39%，由于应力诱发材料内部马氏体体积分数不断增加，致使应变增幅要比应力增幅大；当继续加载到2 mm SMA丝处于马氏体状态时，应力和应变曲线近似呈线性关系不断上升，直至2 mm SMA丝达到极限应力、应变，SMA丝被拉断，2 mm SMA丝由实验测得应力-应变曲线加载上升段与经典应力-应变曲线的上升段吻合较好。在加载速率为10 mm/min的条件下，2 mm SMA丝的极限应力约为1218 MPa，极限应变约为10.97%。

3.3 加载速率对2 mm SMA丝力学性能的影响

室温环境里，对处于稳定状态的2 mm SMA丝进行不同加载速率条件下的加卸载试验，加载幅值为5%。所得应力-应变曲线如图6所示。

图5 极限应力-应变关系曲线

由图6可知，加载速率由10 mm/min增加到50 mm/min时，稳定状态下的2 mm SMA丝的各相变应力出现较小幅度的下降；单圈循环耗能减少了0.27 MJ/m3，减幅较小；等效阻尼比则随加载速率的增大出现小幅下降，从3.58%降到了3.29%，降幅约为8.1%；残余应变在加载速率改变时，没有发生变化，且残余应变微小基本可以忽略。

3.4 加载幅值对2 mm SMA丝力学性能的影响

室温环境里，对稳定状态下的2 mm SMA丝进行不同加载幅值条件下的加卸载试验，加载速率为10 mm/min。所得应力-应变曲线如图7所示，等效阻尼比变化曲线如图8所示。

图8 等效阻尼比与循环幅值关系曲线

由图7和图8可知，随着循环幅值的增加，马氏体相变开始的应力出现微小变化，而马氏体相变结束的应力在循环幅值由4%增到8%时，增大了180.93 MPa，增幅为30.02%；奥氏体相变开始的应力和相变结束的应力都出现大幅下降，降幅约为24.26%，47.55%。滞回曲线所围成的面积随着循环幅值的增加不断增大，表明单圈循环耗能能力不断增强，在循环幅值由4%增大到8%时，单圈循环耗能增大了18.12 MJ/m3，增幅约为318.45%；由于单圈循环耗能的增幅要比循环幅值的增幅快，以及等效刚度随循环幅值的增加不断降低，导致等效阻尼比随循环幅值的增大而不断增大；残余应变在幅值增大的过程中没有变化。

4 结论

1) 随着循环次数的不断增加，2 mm SMA丝的各相变应力、等效阻尼比、单圈循环耗能不断降低，残余应变则随循环次数的增加不断增加，当循环到13次以上时，2 mm SMA丝的各项力学性能都趋于稳定状态。所以在对2 mm SMA丝设计使用时，对其预先进行13次以上的单圈拉伸循环，使其各项力学参数都能达到稳定状态。

2) 在对2 mm SMA丝极限应力、应变的试验中，由于极限应变能达到10.97%，表明SMA丝的轴向变形能力强。同时，由试验测得应力-应变关系曲线基本与经典应力-应变曲线的加载段吻合较好。

3) 当加载速率由10 mm/min增加到50 mm/min时，各相变应力、等效阻尼比、单圈循环耗能都有微小降低，残余应变基本没有变化，表明加载速率对SMA丝的各项力学参数影响较小。

4) 随着循环幅值的不断增加，应力-应变曲线所围成的面积不断增加，表明SMA丝的单圈循环耗能能力随循环幅值增加不断增强。