錢 輝，李靜斌，李宏男，陳 淮

形狀記憶合金［1－2］(Shape Memory Alloy，SMA)是一種新興智能材料，因其形狀記憶效應(yīng)、超彈性、高阻尼特性、耐疲勞、穩(wěn)定性和耐腐蝕性，成為土木工程消能減震器件的理想材料。SMA可恢復(fù)應(yīng)變高達(dá)6%～8%，屈服應(yīng)力在400～500 MPa左右，與鋼材相當(dāng);但其極限強(qiáng)度超過1 000 Mpa，極限變形高達(dá)20%，遠(yuǎn)高于一般鋼材［3－5］。

國內(nèi)外不少學(xué)者［6－16］在SMA被動阻尼器的開發(fā)與應(yīng)用方面進(jìn)行了一些研究。Dolce等［6］開發(fā)了兼具自復(fù)位和耗能功能的SMA支撐和隔震器。Zhang等［7］采用超彈性鎳鈦鉸線設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)使用的遲滯阻尼器(Reusable Hysteretic Damper)。李惠等［8］設(shè)計(jì)了拉伸型和剪刀型阻尼器;李宏男等［9－11］研制了筒式SMA阻尼器、復(fù)合摩擦SMA阻尼器和多維超彈性SMA阻尼器;李忠獻(xiàn)等［12］設(shè)計(jì)了SMA復(fù)合橡膠隔震支座;Zuo 等［13］、倪立峰等［14］、薛素鐸等［15］以及彭剛等［16］也提出了不同形式的SMA阻尼器。

為了研制和開發(fā)適用于工程結(jié)構(gòu)的具有自復(fù)位功能的SMA阻尼器，本文對三種不同直徑超彈性SMA絲材進(jìn)行了力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)，深入分析了循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值、加載速率、環(huán)境溫度等對SMA性能參數(shù)的影響，探討了超彈性SMA研制耗能裝置的可行性，從而為SMA阻尼器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)中，選用的NiTi SMA試件有三種直徑:0.5 mm，1.2 mm 和 2.0 mm，長度為 160 mm，標(biāo)距為 80 mm，合金成分為Ni－49.1at%Ti。通過示差掃描熱量計(jì)(Differential Scanning Calorimeter，DSC)測得材料相變溫度 Mf，Ms，As，Af分別為 －75℃，－55℃，－23℃和10℃。試驗(yàn)開始前，將試件放置在開水(100℃)中加熱1分鐘，取出后冷卻至室溫。由于開水溫度大于Af，且Ms小于室溫(20℃左右)，因此，室溫下該NiTi絲初始狀態(tài)為奧氏體狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室—抗震研究所的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。其中力傳感器量程10 kN，引伸計(jì)標(biāo)距50 mm。試驗(yàn)過程由計(jì)算機(jī)控制，采用等應(yīng)變率加卸載，力和變形數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集，應(yīng)力和應(yīng)變則分別根據(jù)試驗(yàn)試件的直徑和標(biāo)距換算得到。此外，加卸載過程中SMA絲試件的表面溫度的變化值采用光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行測量。試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中通過試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行單向、等應(yīng)變速率、三角圖式循環(huán)拉伸加載。試驗(yàn)主要研究了四種工況下SMA絲的力學(xué)性能:

(1)常溫下等幅值循環(huán)加載試驗(yàn)，考察循環(huán)加載次數(shù)對三種SMA絲力學(xué)特性的影響。應(yīng)變速率為0.001 2/s;應(yīng)變幅值為6%;連續(xù)加卸載30圈。

(2)常溫下等速率變應(yīng)變幅值循環(huán)加載試驗(yàn)，考察應(yīng)變幅值對三種SMA絲力學(xué)特性的影響。應(yīng)變幅值分別為1%、2%、…、8%，應(yīng)變速率為0.001 2/s。

(3)常溫下等幅值動力加卸載試驗(yàn)，考察不同加載速率對三種SMA絲力學(xué)特性的影響。分別考慮準(zhǔn)靜力循環(huán)加載(應(yīng)變速率0.000 1/s)和動力循環(huán)加載(應(yīng)變率0.000 5/s－0.005/s)。加載應(yīng)變幅值為6%。

(4)不同環(huán)境溫度下等速等幅值加載試驗(yàn)，考察不同環(huán)境溫度對三種SMA絲力學(xué)特性的影響。考慮三個自然環(huán)境溫度，即 13.5℃，20℃，25.5℃。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental setup

圖2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.2 Experimental and data acquisition systems

1.4 參數(shù)選取

圖3 為超彈性SMA應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線示意圖。其中，σFs、σFf分別是馬氏體正相變開始應(yīng)力和結(jié)束應(yīng)力;σIs、σIf分別是馬氏體逆相變開始應(yīng)力和結(jié)束應(yīng)力。為了比較各種工況下SMA絲的力學(xué)性能，文中采用以下四個參數(shù):

(1)每循環(huán)耗散能量WD，即為一次加卸載滯回曲線包圍的面積，表征SMA每循環(huán)的耗能能力;

(2)割線剛度，表達(dá)式為:

(3)等效阻尼比，即SMA絲在單向拉伸然后卸載條件下的阻尼比，表征SMA的阻尼能力，表達(dá)式:

式中:WE為總應(yīng)變能;εδ為應(yīng)變幅值;

(4)殘余應(yīng)變εr，表征SMA的自復(fù)位能力。

圖3 超彈性SMA應(yīng)力－應(yīng)變曲線示意圖Fig.3 Schematic stress-strain curve of super-elastic SMA

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 循環(huán)次數(shù)

圖4(a)～(c)給出了連續(xù)循環(huán)加載30圈條件下三種直徑SMA絲的應(yīng)力－應(yīng)變曲線比較。試驗(yàn)中，應(yīng)變幅值為 6%，加載速率為 0.001 2/s，環(huán)境溫度為13.5℃。從圖中可以看出，SMA應(yīng)力－應(yīng)變曲線隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，逐漸下移，包圍的面積逐漸減小，但約20圈后趨于穩(wěn)定。同時，圖4(d)～(f)給出了前20圈循環(huán)加卸載過程中，三種SMA試件表面溫度變化時程曲線。圖中顯示出，在加載過程中，SMA絲試件溫度升高，卸載過程中溫度降低，這是由馬氏體相變過程中SMA的潛熱(latent heat)引起的。加載過程中，發(fā)生馬氏體正相變，為放熱過程，溫度升高;而卸載過程中，發(fā)生馬氏體逆相變，為吸熱過程，溫度降低。第一次循環(huán)加載結(jié)束時溫度最高，然后卸載過程中溫度降低，隨后在不斷的加卸載過程中，溫度變化趨于穩(wěn)定。另外，直徑1.2 mm SMA溫度變化約為8℃，0.5 mm SMA僅為2℃，而2.0 mm SMA溫度變化則高達(dá)12℃左右。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)下SMA絲應(yīng)力－應(yīng)變曲線及溫度時程比較Fig.4 Comparison of stress-strain curves and temperature history of SMA wires for increasing cyclic number

圖5 (a)～(e)為三種直徑SMA絲力學(xué)特征參數(shù)隨加載循環(huán)次數(shù)的增加變化曲線。整體來看，正相變開始應(yīng)力σFs、逆相變開始應(yīng)力 σIs、每循環(huán)耗散能量WD、割線剛度Ks、等效阻尼比ξeq和殘余應(yīng)變εr都隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而逐漸趨于穩(wěn)定。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，三種材料的σFs都逐漸減小，這是由于加卸載過程中材料內(nèi)部位錯密度的增加引起了εr的出現(xiàn)，而εr的累計(jì)引起內(nèi)應(yīng)力的增加。內(nèi)應(yīng)力就等于σFs的變化量，它促進(jìn)了馬氏體的形成，因此σFs隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小。循環(huán)次數(shù)小于5次時，σFs急劇下降，直徑0.5 mm、1.2 mm 和2.0 mm 的 σFs分別降至首次循環(huán)的78.5%、64.2%和45.6%;當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于20次后，趨于穩(wěn)定。三種材料σFs馬氏體逆相變開始應(yīng)力σIs隨循環(huán)次數(shù)變化相對較小，直徑0.5 mm和2.0 mm SMA絲的σIs都略微減小，而1.2 mm SMA的σIs略微增大。WD隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，穩(wěn)定后(約20次)，三種SMA絲分別降至首次循環(huán)的83.8%、24.5%和27.7%。直徑0.5 mm SMA絲的Ks隨循環(huán)次數(shù)的增加變化不大;其他兩種材料的Ks經(jīng)過一定循環(huán)后趨于穩(wěn)定。ξeq隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，穩(wěn)定后(約20次)，三種SMA絲的 ξeq分別從首次循環(huán)的10.1%、9.6%和6.7%降低至8.8%、3.2%和 2.1%。εr隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，一定次數(shù)后趨于穩(wěn)定。直徑0.5 mm SMA絲的εr在第四個循環(huán)后基本穩(wěn)定在0.1%;而另兩種材料隨循環(huán)次數(shù)增加而急劇增加，20個循環(huán)后趨于穩(wěn)定，但εr高達(dá)1.25%以上。

2.2 應(yīng)變幅值

圖6(a)～(c)為不同應(yīng)變幅值下三種SMA絲應(yīng)力－應(yīng)變曲線。循環(huán)加載幅值分別為1% －2% －3% －4% －5% －6% －7% －8%，加載速率為0.001 2/s，環(huán)境溫度為13.5℃。試驗(yàn)前，SMA絲先在應(yīng)變幅值為6%、加載速率為0.001 2/s條件下循環(huán)加載訓(xùn)練30次。

圖6(d)～(f)給出了變幅值(1% ～7%)循環(huán)加載過程中SMA絲試件表面溫度變化時程曲線。從圖中可以看出，隨應(yīng)變幅值的增加，SMA絲溫度變化幅值增大;等應(yīng)變幅值下，直徑2.0 mm SMA絲溫度變化最大，7%時為8.5℃;直徑1.2 mm SMA 絲次之，7%時為3.9 ℃;直徑0.5 mm SMA絲溫度變化最小，7%時僅為1.1℃。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下SMA絲力學(xué)特性比較Fig.5 Comparison of mechanical behavior of SMA wires for increasing cyclic number

圖6 不同應(yīng)變幅值下SMA絲應(yīng)力－應(yīng)變曲線比較Fig.6 Comparison of stress-strain curves for SMA wires for increasing cyclic strain amplitudes

圖7 不同應(yīng)變幅值下SMA絲力學(xué)特性比較Fig.7 Comparison of mechanical behavior of SMA wires for increasing cyclic strain amplitudes

圖7為三種材料在不同應(yīng)變幅值下力學(xué)特性比較。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變幅值的增加，每循環(huán)耗散能量WD近似線性增加。等幅值下，直徑1.2 mm和2.0 mm SMA絲耗散能量相近，而直徑0.5 mm SMA絲耗能高于前兩者。割線剛度Ks隨應(yīng)變幅值的增加急劇減小，應(yīng)變?yōu)?%時，降至最低;應(yīng)變幅值繼續(xù)增大，Ks又逐漸增大，這是由于馬氏體正相變完成以后，材料發(fā)生馬氏體硬化而使材料彈性模量增大。等效阻尼比ξeq隨幅值增加而增加，但5%左右達(dá)到最大，而后繼續(xù)增大幅值，ξeq略微降低。等應(yīng)變幅值下，直徑1.2 mm 和2.0 mm SMA絲的 ξeq相近，最大分別為3.86% 和4.1%，而直徑0.5 mm SMA 絲的 ξeq高于前兩者，最大為9.54%。

2.3 加載速率

圖8 為直徑0.5 mm、1.2 mm 和2.0 mm SMA 絲在不同加載速率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。環(huán)境溫度為20℃、應(yīng)變幅值為6%。試驗(yàn)前，SMA絲均在加載速率為0.001 2/s、應(yīng)變幅值6%的條件下循環(huán)加載訓(xùn)練30次。從圖中可以看出，隨著加載速率的增大，SMA絲的滯回曲線逐漸上移;同時，非彈性階段剛度增大而使曲線硬化。

圖9 為直徑0.5 mm、1.2 mm 和2.0 mm SMA 絲在不同加載速率條件下SMA絲表面溫度的變化時程曲線。從圖中可以看出，隨著加載速率的增大，SMA絲溫度變化幅值增大。加載速率較低時，相變過程中SMA絲和空氣間進(jìn)行熱交換，溫度變化不大;而加載速率較高時，SMA絲來不及和空氣進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致溫度變化較大;同時，由于熱量的累積而使材料的平均溫度升高，致使SMA應(yīng)力－應(yīng)變曲線上移。

圖8 NiTi絲在不同加載速率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of NiTi wire under different loading rate

圖9 不同加載速率下NiTi絲表面溫度變化時程曲線Fig.9 Temperature change-time history of NiTi wire under different loading rate

三種材料相比而言，同等加載速率下，直徑越大，馬氏體相變過程中潛熱量越大，試件的溫度變化幅值也就越大。以加載速率0.001/s為例，直徑1.2 mm SMA 溫度升高6.67℃，直徑0.5 mm SMA 僅為1.1℃，而直徑2.0 mm SMA絲高達(dá)9.36℃。

圖10給出了三種SMA絲每循環(huán)耗散能量WD、割線剛度Ks、等效阻尼比ξeq隨加載速率的變化曲線。圖中顯示出，三種材料的Ks均隨著加載速率的增大，先快速增大，而后趨于平緩。直徑0.5 mm和1.2 mm SMA絲的WD和ξeq隨著加載速率的增大，先快速增大，而后趨于平緩。而直徑2.0 mm SMA絲的 WD和 ξeq隨著加載速率的增大，先增大，隨后減小，而后趨于平緩。

2.4 環(huán)境溫度

圖11(a)～(c)給出了三種直徑SMA絲在不同環(huán)境溫度下的力學(xué)性能。加載速率為0.001 2/s，應(yīng)變幅值為6%，環(huán)境溫度分別為13.5℃，20℃和25℃。試驗(yàn)中的SMA絲首先在應(yīng)變速率0.001 2/s，應(yīng)變幅值6%條件下循環(huán)加載訓(xùn)練30次。從圖中可以看出，溫度升高時，SMA絲的應(yīng)力－應(yīng)變曲線向上平移，而滯回曲線的形狀基本不變。

從圖11(d)～(f)的分析結(jié)果來看，隨著溫度的升高，每循環(huán)耗散的能量WD基本不變，割線剛度Ks近似線性增大，而等效阻尼比ξeq近似線性降低。溫度從13.5℃升高至 25℃，三種材料的 ξeq分別從 9%、3.8%、3.5%降至 6.9%、3%、2.7%。

圖10 不同加載速率下SMA絲力學(xué)特性比較Fig.10 Comparison of mechanical behavior of SMA wires for different loading rates

圖11 不同溫度下SMA絲力學(xué)特性比較Fig.11 Comparison of mechanical behavior of SMA wires under different ambient temperatures

3 結(jié)論

本文對直徑0.5 mm，1.2 mm 和2.0 mm的三種Ni-Ti超彈性SMA絲進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值、加載速率和環(huán)境溫度對其力學(xué)性能的影響。主要結(jié)論有:

(1)隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，三種材料的馬氏體相變開始應(yīng)力降低、每循環(huán)耗散能量和割線剛度逐漸減小，而殘余應(yīng)變累計(jì)增大，但約20圈后趨于穩(wěn)定。

(2)在同等條件下，直徑0.5 mm SMA絲阻尼耗能特性和自復(fù)位特性優(yōu)于另兩種材料，而直徑1.2 mm和2.0 mm SMA絲的力學(xué)性能基本接近。

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