金属学及金属工艺论文_多孔形状记忆合金超弹性

文章目录

致谢

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 形状记忆合金概述

    1.2.1 微观相变机制

    1.2.2 超弹性和形状记忆效应

    1.2.3 形状记忆合金的发展

1.3 形状记忆合金超弹性-塑性研究现状

1.4 多孔形状记忆合金超弹性-塑性研究现状

1.5 SMA和多孔SMA晶粒尺寸效应的研究现状

1.6 本文主要工作

2 形状记忆合金和纳米形状记忆合金的本构模型

2.1 引言

2.2 形状记忆合金的本构模型

    2.2.1 宏观唯象本构模型

    2.2.2 基于塑性理论的本构模型

    2.2.3 细观力学本构模型

    2.2.4 考虑塑性变形的形状记忆合金本构模型

2.3 考虑晶粒尺寸效应的形状记忆合金本构模型

2.4 小结

3 考虑孔隙形状的多孔形状记忆合金本构关系

3.1 引言

3.2 基于GTN模型的本构关系

    3.2.1 宏观屈服方程

    3.2.2 本构模型的建立

    3.2.3 数值结果与讨论

3.3 考虑孔隙形状的超弹性分析

    3.3.1 相变函数

    3.3.2 考虑孔隙形状的多孔形状记忆合金的本构模型

    3.3.3 数值计算与结果分析

3.4 小结

4 多孔形状记忆合金的超弹性及塑性分析

4.1 引言

4.2 考虑孔隙形状的超弹性-塑性分析

    4.2.1 基于相变函数和屈服函数的本构关系

    4.2.2 数值计算与结果分析

4.3 循环荷载下多孔形状记忆合金本构模型

    4.3.1 本构模型

    4.3.2 数值结果

4.4 小结

5 多孔形状记忆合金的尺寸效应

5.1 引言

5.2 纳米晶形状记忆合金的尺寸效应

    5.2.1 本构模型

    5.2.2 结果与分析

5.3 纳米形状记忆合金的拉压不对称性

    5.3.1 本构模型

    5.3.2 数值结果

5.4 纳米多孔形状记忆合金的晶粒尺寸效应

    5.4.1 本构关系

    5.4.2 数值结果

5.5 纳米多孔形状记忆合金的循环变形

    5.5.1 本构模型

    5.5.2 数值结果

5.6 小结

附录 A

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 本文的创新点

6.3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

文章摘要:多孔形状记忆合金因结合了形状记忆合金的智能响应和多孔材料的特性,而具有广泛的优点,例如形状记忆效应、超弹性、低密度、生物相容性和高渗透性。凭借上述优异的特性,多孔形状记忆合金已成功应用于多种高新领域,例如人造骨骼、能量吸收器、轻质结构、电极和热交换器。除了可恢复的相变以外,多孔形状记忆合金另一个重要力学行为是塑性变形。通常,有两种类型的不可恢复变形:相变诱导塑性变形和高应力水平下的常规塑性变形。此外,实验研究已经证明,纳米结构形状记忆合金的力学响应对晶粒尺寸有很强的依赖性。孔隙的存在改变了形状记忆合金微观结构的演化过程,研究晶粒尺寸和孔隙率对多孔形状记忆合金超弹性、塑性以及超弹性退化行为的影响是很有必要的。本构模型的研究一直是应用和发展多孔形状记忆合金的关键问题。本文分别研究了多孔形状记忆合金的超弹性-塑性行为、相变诱发塑性行为和晶粒尺寸效应。主要研究内容如下:（1）超弹性本构模型。多孔形状记忆合金被视为由形状记忆合金基体和孔隙夹杂组成的两相复合材料。基于Gurson-Tvergaard-Needleman模型,提出了一个考虑静水压力和相变硬化的相变函数。通过对多孔形状记忆合金在单轴和组合载荷下的超弹性、内循环和拉压不对称性的模拟,验证了模型的合理性。（2）高应力水平下的超弹性-塑性以及循环加载下的超弹性本构模型。分别提出了能够描述应力诱发塑性变形和相变诱发塑性变形的本构模型。首先,对于应力引起的塑性应变,提出了考虑相变-塑性耦合和孔隙形状效应的相变函数和塑性屈服函数。在模型中引入了塑性背应力张量,来解释由于屈服区域之间的不相容性而产生的应力。数值结果表明,多孔形状记忆合金的力学响应受孔隙率和孔隙形状的影响,孔隙率越高,孔隙形状效应越明显。塑性变形会降低逆相变的临界相变应力,抑制逆相变的进行。其次,基于Mori-Tanaka均匀化方法建立了细观力学本构模型以描述相变诱导塑性变形。在此模型中,将非弹性应变分解为两部分:马氏体相变应变和相变诱导塑性应变。通过对比预测结果与实验数据,证明了模型具有模拟循环加载下多孔形状记忆合金超弹性退化行为的能力。（3）纳米形状记忆合金的晶粒尺寸效应。通过在吉布斯自由能函数中引入马氏体体积分数空间梯度以及相变硬化模量,建立了一个考虑晶粒尺寸效应的相变函数。使用应变集中系数推导出由晶内相（夹杂物）和晶界相（基体）组成的复合材料的整体切线刚度。基于实验中观察到的纳米形状记忆合金的拉压不对称性,建立了一种本构模型来描述这种不对称性行为。（4）多孔形状记忆合金的晶粒尺寸效应。在纳米形状记忆合金本构模型的基础上,将多孔形状记忆合金的孔隙看做三相（晶内相、晶界相和孔隙相）复合材料中的其中一相。从数值结果可以观察到,随着孔隙率的增加,对于给定晶粒尺寸的多孔形状记忆合金,临界相变应力减小,应力-应变滞后环变窄,达到相同应变值所需的应力也随之减小。同时,多孔形状记忆合金在不同晶粒尺寸下表现出应变硬化行为,且临界相变应力随着晶粒尺寸的减小而增加。为了描述循环载荷下纳米多孔形状记忆合金的超弹性退化行为,考虑了马氏体相变和相变诱导塑性两种非弹性变形机制。基于割线模量法,计算了纳米多孔Ni Ti形状记忆合金在循环变形过程中的宏观割线体积和剪切模量。数值结果表明,超弹性退化对纳米多孔形状记忆合金的晶粒尺寸有很强的依赖性。

文章来源：《塑性工程学报》 网址: http://www.sxgcxb.cn/qikandaodu/2022/0207/943.html