【doc】超弹性材料在轴对称变形条件下的性能研究

【doc】超弹性 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 在轴对称变形条件下的性能研究 超弹性材料在轴对称变形条件下的性能研 究 第12卷第6期 20O5年l2月 金属功能材料 MetallieFunctionalMaterials VO1.12.NO.6 DCC..2005 超弹性材料在轴对称变形条件下的性能研究 黄美权,徐长征,蓝钢华,一,李红春,一,刘生福,,郑茂盛 (1.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安710049; 2.中原油田采油工程技术研究院,河南濮阳457001) 摘要:近20年来超弹性合金在机械和电子行业得到了广泛应用,但关于其性能的研究工作主要集中在丝材单向 加载条件下,而对于复杂加载情况则涉及较少.本文研究了超弹性合金在轴对称加载条件下的行为,并分析了其 变形特征和恢复特性. 关键词:超弹性合金;轴对称变形;恢复 中图法分类号:TB381文献标识码:A文章编号:1005—8192(2005)06—0018—04 Exoerimenta.Stud~onxoerimentalStudy0n Axial-—symmetric SuperelasticAlloyunder LoadingCondition HUANGMei—quan,XUChang—zheng,LANGang—hua,2 LIHong—chun,ZHENGMao—sheng? (1.SchoolofMaterialScience&Engineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xian71009,C hina; 2.OilProductionEngineeringTechnologyInstitute,ZhongyuanPetrochmical(.,Ltd.,Puyan g457001,China) ABSTRACT:MechanicalpropertiesofNiTisuperelasticalloywirehasbeenwidelystudied bymeansofuniaxialtension andcompressiontests.However,thestudyofitspropertiesundercomplexloadingcondition wasrare.Inthispaper,the axial— symmetricalloadingisappliedtONiTisuperelasticalloytOtestitsmechanicalpropertiesinc omplexloadingcondi— tion.Thedeformationandrecoverybehaviorsarestudiedsimultaneously. KEYWORDS:superelasticalloy;axial—symmetricaldeformation,recoveryproperty 1刖置 超弹性合金是一种用途广泛,开发潜力很大的 金属功能材料,在众多的超弹性合金中,NiTi合金 是最具代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的一种.因它具有良好的形状记忆效 应(shapememoryeffectSME)和超弹性(superelas— ticitySE)行为,较高的力学性能,优良的耐磨耐腐 蚀性能和良好的阻尼特性,同时具有较好的生物相 容性等优点而受到广泛应用l1J.超弹性是NiTi 合金的重要力学性能之一,当合金受到应力,由母相 经应力诱发相变,形成马氏体,当去除应力后,发生 逆马氏体相变,应变恢复,即为超弹性.若有部分应 变回复,称为伪弹性(pseuodoelasticityPE).NiTi超 弹性合金的回复应变值一般可达到6%,8%,远优 于普通材料的弹性应变量(<0.3%).利用NiTi形 状记忆合金的超弹性,可制作移动通讯设备信号天 线,眼镜架,矫形丝,智能传感材料驱动单元,土木工 程耗能减震结构等(3-4J. 在过去的40年里,人们以单晶或多晶NiTi合 金丝或块状试样为对象,对NiTi合金的超弹性行为 进行了广泛而深入的研究.如该合金的形变特性对 超弹性性能的影响l5;各种荷载因素如温度,加载 作者简介:黄美权(1980一).男,西安交通大学材料科学与工程学院硕士研究生,主 要从事金属功能材料研究. 联系地址:西安交通大学材料学院材料物理课题组(710049).Email:hmquse@stU.xjtu.edu.cn 第6期黄美权等:超弹性材料在轴对称变形条件下的性能研究 频率,应变幅值及荷载循环等对合金丝材超弹性特 性的影响川.但关于其性能的研究工作主要集 中在丝材单向加载条件下,而对于工件复杂加载情 况则涉及较少u川.而在工程中,如航空航天应用的 产品包括管接头,超弹性防松工件,超弹性均载连接 件以及智能结构控制件等;石油化工领域应用的油 井封隔器以及在医学应用上;超弹性合金工件都受 到复杂载荷的影响.超弹性工件在复杂载荷作用 下,与丝材的受力状态不同,工件的截面可能同时承 受着弯曲,剪力甚至扭力的作用,应力状态会影响工 件的超弹性行为.本研究以在室温下呈超弹性的 一 50.7%Ni(原子)合金工件为对象,在轴对称加载 作用下分析其变形特征.回复力,回复应变,响应性 是评价形状记忆合金超弹性特性的主要指标.NiTi 形状记忆薄膜的回复力达600MPa,回复应变达 6%,但响应性差.形状记忆合金的应答频率在1Hz 以下.块体形状记忆合金因为有效厚度大,所以 应答频率低,低应答频率限制了其在微机械元件上 的大规模应用,仔细研究块体超弹性工件的恢复特 性,测定出超弹性工件的恢复曲线,得到一些重要的 参数,可以为NiTi超弹性合金的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 以及工程应用 提供依据. 2实验方法 2.1实验材料 实验用材料为西北有色金属研究院提供的Ti一 50.7(原子)Ni合金,采用真空感应法熔炼,锭材经 均匀化处理后,扒皮,切冒口,取样分析,锻造开坯, 轧制成2mm厚板材.经过适当的热处理后得到用 于研制超弹性工件的合金板材,其相变温度测试在 差示扫描量热仪PERKIN—ELMERDSC7上进行, 实验温度范围为一70?,100?,升温速率和降温速 率均为10?/rain,合金的相变温度列于表1. 表1Ti.50.7%(原子)Ni合金板材的相变温度/*C Table1Phasetransformationtemperatureof Ti-50.7at%Nialloy 全垒竺: Ti50.7%(原子)Ni一30.4—14.215.4828.6 2.2材料超弹性性能测试 为了测试NiTi合金板材的超弹性性能,进行了 材料的拉伸实验.将试制超弹性工件的板材加工出 如图l所示的拉伸试样,在INSTRON1341型电子 拉伸机上进行拉仲实验,拉伸速度0.5mm/rain,实 验温度为25?.在室温附近,材料的拉伸性能如图 2所示.一般认为,拉伸应力一应变曲线的"屈服" 平台,对应着母相奥氏体(A)向马氏体(M)的转变, 具有非线性超弹性,与前面的线性超弹性一起构成 了NiTi合金材料的最大可恢复应变.由图2可知 所选材料的最大超弹性应变约为6%,材料具有较 好的超弹性性能. 图1超弹性性能测试试样尺寸/mm Fig.1Geometryofspecimenfortensiletest/mm 图2NiTi超弹性合金材料在室温下的工程 应力一应变曲线 Fig.2Theengineeringstress-straincurveofNiTi super-elasticalloyattemperature(25?) 3超弹性材料的轴对称变形试验 3.1超弹性轴对称变形测试方法 用厚度为2mm的板材加工了三个轴对称工件, 形状如图3所示.初始大口外通径?记为?,,分别 为81.3mm,81.50ram,81.70mm.为了实现轴对称 变形,自行设计了一个撑开装置.测试在IN— STRON1341型电子拉伸机上进行,受力如图4所 示.选取载荷步长为0.5kN的方式缓慢加载.在 图3超弹性工件示意图 F.3Geometryofspecimenforsuper-elastical10yde',i蚀 20金属功能材料 图4超弹性工件撑开受力示意图 Fig.4Mechanicalanalysisofthesuper-elasticalloydevice 主 _R 直径,mm 每个载荷下,待工件受力平衡,稳定后用游标卡尺 测量出值,记为,.由此可以得到压力与外通径 的变化曲线如图5a.按照力学原理,工件的变形 率为e=In(/),便可得到压力与变形率的关 系如图5b. 3.2载荷与外通径,变形率的变化 从图5a可以看出',随着载荷的不断增加,开始 阶段工件的值增加缓慢,当载荷增加到22kN时, 值迅速增大,形变量急剧增加,在载荷一外径曲 :{(} 25 2(1 lS 46 应变 图5超弹性工件性能测试 a.载荷一外径曲线:b.载荷一变形率曲线图 Fig.5Superelasticstestresultsofthesuper-elasticalloydevice 线,载荷一变形率曲线上均出现一个平台,与图2拉 伸曲线相似,NiTi超弹性合金材料在这个平台过程 中发生了应力诱发马氏体相变.比较载荷一变形率 曲线和拉伸曲线,可以发现超弹性工件变形所对应 的最大可恢复应变(约5.2%)略小于拉伸曲线上材 料的最大超弹性应变(约6%). 由等效应变计算公式: ?2 e一3 其中2=口=一,,3=0,l=, ,) 可得:,=?!,?1.15,3 e也就是超弹性工件撑开时所测得的变形率. 在这里,超弹性工件的变形所对应的最大可恢 复应变(e?5.2%)和拉伸曲线上材料的最大超弹 性应变(Ee?6%)较好地符合这一关系式. 3.3受力分析 工件的受力状况如图4所示,其壁厚=2mm, 直径?81mm,NiTi超弹性合金材料拉伸应力一 应变曲线中平台对应的强度口?330MPa,工件上 端口环形壁厚所对应的面积为S=不?509mm. 根据力学原理,使工件上口径撑开需要的压力为: P=2口t/声 则有P?16.30MPa,撑开工件上口需要的外力为 F=PS?8.3kN.由防突件的受力示意图4知, 要使防突件撑开,加在撑开装置上的最小外力了, = F/cos0,这里设计的超弹性工件0为30.则丁 约为17kN.这个力在工程应用中具有重要的参考 价值,超弹性工件所受的力小于这个数,卸载后工件 能够自如的恢复,但若加载大于此力,则工件会发生 塑性变形而不能完全回复.考虑到试验过程中工件 与撑开装置之间还有摩擦阻力的作用,所施加的力 应大于这个数值,如图5所示,平台对应载荷约为 22kN. 3.4反复变形残余应变的变化 为了考察超弹性工件经历多次反复变形后,其 恢复率是否能满足使用的要求.分别对三个工件进 行了2,3次撑开试验,试验结果如表2所示,表中 压力是加在撑开装置上的外力丁.从表2中的试 验的结果可知,该材料制成工件后,材料的超弹性在 变形率小于6%时,残余变形率均小于0.5%,都能 够较好恢复,满足工程应用的要求.为了了解超弹 性工件在长时间变形后的超弹性性能,特别使?号 笫6期黄美权等:超弹性材料在轴对称变形条件下的性能研究21 试样长时问受压,保压时间为24h,试样变形率达在长时间变形卸载后,仍能较好地 恢复. 6.22%.卸载后残余变形率仅0.31%,超弹性工件 表2超弹性工件反复变形性能 Table2Thepropertyofthesuper—elasticalloydeviceafterrepeateddeformation 3.5残余应变与时间的关系 工件恢复的时间,在实际工程应用中是一个重 要的参数,能为NiTi超弹性合金的设计以及工程应 用提供依据.实验过程中,当工件卸载后,每隔20s 测量一个j6值,便可得到工件残余应变随时间的变 化曲线如图6.由图6可知,工件在开始阶段形变 迅速恢复,残余应变按指数规律急剧减小,可以较好 地用指数函数R=ee来拟合残余应变(R) 随时间(t)的变化,其中e为工件受压的最大变形 率,由上式计算工件经2min后形变能恢复9O%. 工件在卸载之后的较短时问里迅速恢复. "ll【ll"lI"l2Il【l【l2lll:{("lf tt,j'li~J/s 图6超弹性轴对称变形残余应变一时间曲线 Fig.6Residualstrain?timecurveofthesuper—elastic alloydeviceafteraxial—symmetricallyloaded 4结论 (1)超弹性工件的径向超弹性范围略小于材料 拉伸时的超弹性范围,后者约是前者的1.15倍. (2)超弹性工件在其超弹性范围内变形(变形量 <6%),均能较好地恢复(残余变形量<0.5t%). (3)超弹性工件解封后残余应变随时间呈指数 规律减小,开始阶段,超弹性恢复很快. 参考文献: [1]MiyazakiS,OtsukaK.Developmentofshapememoryalloys[J] ISIJInternational,1989,29(5):353. [2]OtsukaK,ShimizuK.Pesudoelasticityandshapememoryeffectin NiTi[J].InternationalMetalsReviews,1986,33:93. (3]赵连城,郑玉峰.形状记忆与超弹性镍钛合金的发展和应用[J]. 中国有色金属2004,14(1):323. [4]肖尔田,韩玉林,李爱群基于形状记忆台金超弹性阻尼器的结 构振动控制和地震时程分析[J].东南大学(自然科学版) 2003,33(5):605 [5]SehitogluH,JunJ,ZhangXShapememoryandpseudoelasticbe— haviorof1.5%Ni—Tisinglecrystalsinsolmionizedandovcraged state[J].ActaMater,2001;49(17):3609. 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