Fe-Mn-Si记忆合金中应力诱发γ→εM的相变机制

通过高分辨透射电镜观察得知,Fe-25%Mn-4.5%Si-1%Cr-2%Ni形状记忆合金中母相γ的亚结构主要是平行分布的、不同程度重叠的层错。母相的这一亚结构特征决定随应力诱发相变进行的程度不同,可分别形成单片状和多层状两类不同形态的ε马氏体(εM),这由透射电镜观察得到了证实。这两类不同形态εM的逆相变特征亦不相同,单片状εM在逆相变时能保持较好的晶体学可逆性,有利于形状记忆效应,而多层状εM由于受到层间界面的制约,逆相变后残留下较多晶体缺陷,对形状恢复不利。

Fe-Mn-Si记忆合金激光熔覆层残余应力的数值模拟

为分析Fe-Mn-Si记忆合金熔覆涂层的应力分布情况,利用ANSYS有限元分析软件数值模拟该涂层的温度场及应力场。模拟结果表明,当激光熔覆涂层完全冷却后,其末端基体中间区域的横向残余应力表现为残余压应力;从基体中部向两侧移动,残余压应力逐渐变为残余拉应力;沿激光扫描方向,熔覆涂层的纵向残余应力依次为压应力→拉应力→压应力。

Fe-Mn-Si记忆合金的疲劳特性

为分析Fe-Mn-Si记忆合金的疲劳特性,采用与该材料具有相同母相的304不锈钢作为对比材料,通过弯曲疲劳试验法测量两者在应变幅值为±3.5%时的疲劳断裂次数,并利用X射线衍射法(XRD)和场发射扫描电镜(SEM)分析试样相组成和断口形貌。结果表明:Fe-Mn-Si记忆合金和304不锈钢的弯曲疲劳断裂次数分别为1159次和63次,断口形貌依次为韧窝和撕裂棱。前者断裂时的物相基本为ε马氏体,而后者几乎全部由α′马氏体组成,表明应力诱发Fe-Mn-Si记忆合金发生γ→ε马氏体相变。相变过程中,应力集中程度和裂纹扩展速度降低是Fe-Mn-Si记忆合金疲劳强度提高的机理。

预应变对Fe-Mn-Si记忆合金中应力诱发εM形态的影响

利用拉伸试验方法测定了Fe-25%Mn-4.5%Si-1%Cr-2%Ni合金预应变对可恢复应变量的影响,并用X射线衍射分析方法考察了应力诱发ε马氏体(εM)体积分数随预应变量的变化关系。结果表明,当预应变大于5%而小于8%时,尽管应力诱发ε马氏体量仍然随预应变的增大而增多,而可恢复应变量却在预应变超过5%后随之迅速降低。利用透射电子显微镜对不同变形量试样中应力诱发εM形貌进行观察得知,预应变量由小及大,诱发出的εM形态变化很大,从而对记忆效应产生不同的影响。

含碳Fe-Mn-Si记忆合金的记忆性能研究

研究了含碳Fe－Mn－Si记忆合金Fe－18．1Mn－5．5Si－0．32C（wt％）的记忆性能，并与典型的Fe－Mn－Si三元记忆合金比较．结果表明：碳原子显著提高Fe－Mn－Si合金的回复率和回复应力，增加可回复应变，使合金的可回复应变大于5％，还极大延缓Fe－Mn－Si记忆合金回复率的表减趋势．碳原子提高Fe－Mn－Si合金记忆性能的原因是碳原子通过固溶强化提高奥氏体的强度，抑制不可逆塑性变形，促进应力诱发γ→ε马氏体相变及其逆转变．同时，含碳Fe－Mn－Si合金中应力诱发马氏体位向较单一，减少了相互交截，有利于形状记忆效应。

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金马氏体相变超弹性的影响

采用拉拔变形及低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的Ti_(50)Ni_(48)Fe_(2)(原子分数)记忆合金丝材,通过拉伸实验机研究了拉伸应变为6%及20次循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金应力诱发马氏体相变超弹性的影响。结果表明:当循环变形次数由1次增加至20次,纳米晶TiNiFe合金马氏体相变的超弹应力由871 MPa减小至723 MPa,残余应变由0.53%增加至0.73%。本文中的纳米晶TiNiFe合金在循环变形后呈现出高超弹应力和小残余应变,明显优于已经报道的TiNi记忆合金。这主要是由于纳米晶TiNiFe合金中高密度晶界产生的细晶强化和Fe元素产生的固溶强化,由此抑制了合金中位错的产生从而提高了马氏体相变的超弹稳定性。

退火工艺对Ti-Ni-V形状记忆合金相变和形变行为的影响

利用差示扫描量热仪和拉伸试验研究了400℃×10~120 min和500℃×10~120 min退火态Ti-50.8Ni-0.5V合金的相变行为、拉伸性能和形状记忆行为。结果表明:随退火温度和时间变化,合金的相变类型、R相变温度T_(R)和热滞ΔT_(R)、马氏体相变温度T_(M)和热滞ΔT_(M)、抗拉强度R_(m)、伸长率A、应力诱发马氏体相变临界应力σ_(M)、加载-卸载残余应变ε_(R)和能耗W_(D)的变化规律如下:400和500℃退火态Ti-50.8Ni-0.5V合金皆发生B2→R→B19’/B19’→R→B2(B2-母相,CsCl型结构;R-R相,菱方结构;B19’-马氏体相,单斜结构)型相变;T_(R)^(400℃)>T_(R)^(500℃),T_(M)^(500℃)>T_(M)^(400℃),ΔT_(M)^(400℃)>ΔT_(M)^(500℃)≥ΔT_(R)^(400℃)≈ΔT_(R)^(500℃)≈4℃;R_(m)^(400℃)>R_(m)^(500℃),A^(500℃)>A^(400℃);400℃退火态合金的超弹性(SE)稳定性高于500℃退火态合金。随退火时间延长,T_(R)^(400℃)、T_(R)^(500℃)、T_(M)^(400℃)和T_(M)^(500℃)升高,ΔT_(M)^(400℃)和ΔT_(M)^(500℃)减小,ΔT_(R)^(400℃)和ΔT_(R)^(500℃)在3.5~4.6℃之间变化;400℃退火态合金保持SE,500℃退火态合金由SE向SE+SME(形状记忆效应)转变;σ_(M)^(400℃)和σ_(M)^(500℃)降低;W_(D)^(400℃)和W_(D)^(500℃)增加;ε_(R)^(500℃)先降后升;ε_(R)^(400℃)在0.64%~1.36%之间变化。要使Ti-50.8Ni-0.5V合金获得较高的T_(R),可对其进行400℃退火;要使该合金获得较高的T_(M),可对其进行500℃退火;要使该合金在室温下获得超弹性,可对其进行400℃×10~120 min或500℃×10~60 min退火。

退火和变形温度对Ti-Ni-Cr形状记忆合金弹簧低温超弹性的影响

利用拉伸试验研究了350~800℃退火态Ti-50.8Ni-0.3Cr合金弹簧在-20~20℃温度范围变形时的低温超弹性。结果表明,在350~800℃温度范围退火时,随退火温度升高,该合金弹簧对外输出应力先降低再升高,而后趋于稳定。在-20~20℃温度范围变形时,随变形温度升高,该合金弹簧对外输出应力增大。要使该合金弹簧在-20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~400℃或550~800℃退火处理;要使该合金弹簧在-10~20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~500℃退火处理;要使该合金弹簧在-20~20℃下获得较大的能耗,可对其进行450~800℃退火处理。随退火温度升高,该合金弹簧的应变恢复率降低;随应力-应变循环次数增加,该合金弹簧的应变恢复率先降低后趋于稳定。预循环训练能明显提高该合金弹簧应变恢复率的稳定性。

超弹性形状记忆合金自恢复与耗能平衡设计理念

超弹性形状记忆合金具有优越的自恢复性能,在工程抗震应用中能够赋予结构完美的自复位性能,但由于其超弹性旗帜形本构关系,自身耗能能力十分有限,致使其难以满足结构地震下的抗震需求。探求在保留形状记忆合金自恢复性能的前提下,尝试将超弹性形状记忆合金与摩擦阻尼器组合应用,以使形状记忆合金系统的耗能能力最大化。首先,对超弹性形状记忆合金自恢复耗能平衡设计理念进行深入研究,引入系统平衡参数的概念,提出相应的配比设计公式;随后,通过开展形状记忆合金超弹性性能试验、简易摩擦阻尼器试验以及组合张拉试验,证明上述平衡设计理念的实用性以及平衡设计公式的可行性。平衡设计理念的提出以及其验证能够推进并指导形状记忆合金在工程抗震中的应用。

形状记忆合金增强水泥基复合材料及其构件研究进展

传统的水泥基材料适用性强、经济性高、用途广泛,但是容易开裂,难以恢复。通过热弹性马氏体相变及其逆相变,形状记忆合金拥有了独特的形状记忆效应、超弹性等卓越性能。因此,可以利用形状记忆合金增强水泥基材料及构件,克服传统水泥基材料抗裂性能差的缺陷,改善水泥基材料构件的开裂和变形自恢复能力。本文从形状记忆合金的材料特性与种类、形状记忆合金纤维增强水泥基复合材料及形状记忆合金筋材增强水泥基复合材料构件三个方面进行综合阐述,并指出现有研究中存在的不足,展望了形状记忆合金增强水泥基复合材料的发展前景。

CeO_(2)添加量对电弧增材制造铁基形状记忆合金组织和性能的影响

采用粉芯丝材+电弧增材制造技术制备了含不同质量分数(0,1%,2%,3%)CeO_(2)的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni铁基形状记忆合金,研究了CeO_(2)添加量对试验合金显微组织和形状记忆性能的影响。结果表明:添加质量分数1%的CeO_(2)后,合金晶内析出相减少,晶界处析出较大尺寸的稀土化合物,组织均匀,弯曲变形后未出现ε马氏体跨晶生长现象,且马氏体交叉状态较少;当CeO_(2)质量分数增加至2%和3%时,晶内析出相增多,分布均匀性变差,且在弯曲变形后ε马氏体跨晶生长和交叉特征增多;随着CeO_(2)添加量增加,试验合金的晶粒尺寸减小,层错概率增大,形状回复率先增大后减小,当CeO_(2)质量分数为1%时晶粒尺寸较小,层错概率较大,形状回复率最大,形状记忆性能最好。

形状记忆合金驱动的人工逼尿肌系统

针对神经源性、肌源性膀胱缺乏有效治疗手段的现状,从工程学角度提出了一种新的解决方案——人工逼尿肌系统。基于形状记忆合金(SMA)弹簧的形状记忆效应,设计了由无线能量传输模块、控制模块、反馈模块和执行模块组成的系统结构,旨在实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中首先建立了人体膀胱的有限元模型,仿真分析了人体膀胱的储尿和辅助排尿过程,在仿真结果的基础上结合SMA弹簧的数学模型,对SMA弹簧致动器的结构参数进行了优化设计;其次,结合实验数据推导了SMA弹簧温度-自由高度方程;然后,结合热力学公式和弹簧数学模型推导了系统控制方程,并在此基础上提出了系统开环控制策略;最后,基于系统的反馈模块,设计了比例积分微分(PID)闭环控制策略,并搭建模拟实验平台研究了系统的尿流率特性。结果表明:系统原理可行,辅助排尿过程连续可控,在应对不同尿液容量时两种控制策略均能实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中结果可为设计适用于临床的人工逼尿肌系统提供指导,也可为其他以SMA弹簧作为致动器的植入装置的设计提供借鉴和参考。

功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能研究

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达到纳米尺度,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的。为了探究表面效应对功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能的影响规律,基于梁弯曲理论及Gurtin⁃Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对FG⁃SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的FG⁃SMA纳米梁相变力学模型。分析了梯度指数、载荷、温度及拉压不对称系数对FG⁃SMA纳米梁力学性能的影响规律。研究表明,弯矩、梯度指数对截面响应影响显著,而温度和拉压不对称系数对其影响较小;忽略表面效应的影响会低估FG⁃SMA纳米梁的抗弯性;在弯矩达到一定程度后,表面效应对FG⁃SMA纳米梁中性轴偏移趋势影响不大。研究结果对FG⁃SMA纳米梁在微机电领域的设计及应用提供了一定的基础与依据。

NiTi形状记忆合金弹簧电热驱动特性研究

在对NiTiSMA弹簧致动原理分析的基础上,基于所设计的测试方案和实验平台对NiTiSMA弹簧的变形速度、收缩力以及疲劳性能进行了研究。揭示了激励电流、外部负载以及拉伸长度对NiTiSMA弹簧变形速度的影响;得出实验所用弹簧的最佳拉伸范围为60 mm~90 mm以及最大拉伸长度为110 mm。实验结果表明,随着外部负载的增大,NiTiSMA弹簧的可循环使用次数显著下降。

中心刚体-形状记忆合金层合功能梯度梁的动力学特性研究

文章对中心刚体-形状记忆合金层合功能梯度梁系统在平面内作大范围运动进行动力学特性研究。SMA层采用多项式的形状记忆合金的本构模型和假设的层合部分的功能梯度分布,在考虑横向变形引起纵向变形的非线性耦合量。采用假设模态法对SMA层合FGM梁系统进行离散,运用第二类Lagrange方程推导得到系统高次刚柔耦合模型,编写软件程序进行动力学仿真。研究了形状记忆合金层的在不同功能梯度下温度对动力学特性的影响以及不同温度下增加SMA层厚度对动力学特性的影响。研究结果表明温度和SMA层厚度对系统的动力学特性影响较大。

纳米晶NiTi记忆合金应力诱发R→B19′相变的超弹稳定性

通过对Ni_(50.2)Ti_(49.8)(at%)记忆合金丝材进行大变形冷拔和低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的纳米晶NiTi记忆合金丝材样品,然后采用应变量为6%的20次拉伸循环实验研究了纳米晶NiTi合金力致R→B19′相变的超弹稳定性。结果表明:纳米晶NiTi合金在经过20次拉伸循环变形后,其超弹应力为734 MPa,超弹应力的减小率为16%,残余应变为0.61%,此综合超弹性能优于以往粗晶NiTi记忆合金。这主要源于纳米晶NiTi记忆合金中细晶强化显著提高了合金屈服强度,因此降低合金马氏体相变过程中塑性变形,可使纳米晶NiTi记忆合金呈现高的超弹稳定性。

富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

柔性薄膜复合形状记忆合金弹簧驱动器

针对形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)材料在使用过程中因其较低的响应频率而很难应用于高频率场所问题,在聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)薄膜中引入锆酸铅钡(Pb_(0.8)Ba_(0.2)ZrO_(3),简称PBZ)纳米陶瓷纤维制备柔性薄膜,并与NiTi合金弹簧复合制得PBZ/PVDF@SMA复合驱动器,通过薄膜的电卡效应加热及冷却SMA丝,与传统电流加热及自然冷却方式进行了对比。结果表明,缩短了SMA丝循环周期,提高了其响应频率,有利于扩大SMA的适用场所。

基于形状记忆合金的软体指套设计与精确控制

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的软体指套。设计了基于霍尔传感器的传感系统,以精确感知指套弯曲状态。通过分析人手的结构和运动特征,建立了指套的运动学模型。最后,搭建实验平台,开展传感器标定实验分析,完成锯齿状速度曲线跟踪。实验结果表明:软体指套通过高精度的位置信息和经典PID控制器,能够实现精确运动控制。