康莉萍，錢 輝，郭院成，李宗翱

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州450001)

0 引 言

形狀記憶合金(shape memory alloy，簡稱SMA)是一種具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性的新型智能材料。自從20世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)以來，SMA已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、航天、電子機(jī)械等眾多前沿領(lǐng)域得到了廣泛地研究和應(yīng)用[1]。近年來，隨著材料成本的降低和生產(chǎn)工藝的提高，SMA成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

SMA超彈性指的是奧氏體SMA在外界荷載作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于彈性應(yīng)變的塑性變形，但是一旦卸載，SMA可以自動回復(fù)到原有形狀，殘余應(yīng)變幾乎為零。利用這一獨(dú)特性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。最初，人們利用SMA絲結(jié)合其它耗能裝置，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的振動控制和復(fù)位，例如各種基于SMA的阻尼器[2-6]、隔震支座[7-9]和耗能支撐[10-13]的研制與應(yīng)用。隨著機(jī)械加工和連接技術(shù)的進(jìn)步，SMA 的超彈性為自復(fù)位結(jié)構(gòu)開辟了新的方向。SMA用于構(gòu)件的連接[14-16]、替代鋼筋用于增強(qiáng)材料[17-20]使結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大變形后，仍能恢復(fù)到原來的位置。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)位的效果，SMA應(yīng)該具有較大的回復(fù)應(yīng)力和較小的殘余變形。但是影響這兩個條件的因素眾多，材料的化學(xué)成分、熱處理工藝、直徑大小、應(yīng)力狀態(tài)的等都會引起性能的改變。錢輝等[21]研究了3種不同直徑SMA的超彈性，結(jié)果表明直徑為0.5 mm的自復(fù)位性能要優(yōu)于直徑為1.2和2.0 mm。任文杰等[22]通過對直徑4.6 mm棒材實(shí)施力學(xué)性能試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，大直徑棒材的輸出力較大，更適合用于復(fù)位或限位構(gòu)件。王偉和邵紅亮[23]開展了SMA棒材在不同加載制度下的力學(xué)性能研究。R. Desroches等[24]對比分析了SMA絲材和棒材的循環(huán)力學(xué)特性，指出棒材也可以表現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性。H.Sadiq等[25]指出熱處理可以改變SMA的回復(fù)應(yīng)力。其它研究者也指出，與絲材相比，SMA棒材的超彈性會因?yàn)槟骋粭l件的改變而存在較大的差異。為此，開展SMA棒材的力學(xué)性能研究將為棒材進(jìn)一步的應(yīng)用提供依據(jù)。

為了更好地利用SMA棒材的回復(fù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自復(fù)位效果，本文對四種不同直徑的SMA棒材進(jìn)行了力學(xué)拉伸試驗(yàn)，深入分析了熱處理、加卸載循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值對SMA超彈性的影響，探討了殘余應(yīng)變、耗能能力、割線剛度、等效阻尼比等力學(xué)參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)和應(yīng)變幅值的變化規(guī)律，從而為SMA棒材的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用由西安思維金屬材料有限公司生產(chǎn)的直徑分別為5.5、8、10和14 mm的形狀記憶合金(SMA)棒材，材料的成分含量如表1所示。拉伸試驗(yàn)采用長度為200 mm，標(biāo)距50 mm的試件進(jìn)行。

表1 SMA棒材化學(xué)成分(%質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of SMA bar (wt%)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)的200KN型萬能試驗(yàn)機(jī)，具體加載裝置如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig 1 Experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要考慮熱處理工藝、應(yīng)變幅值、循環(huán)加卸載次數(shù)等工況下對材料的力學(xué)性能影響。

1.3.1 熱處理工藝

材料的熱處理工藝主要表現(xiàn)為熱處理溫度和保溫時長的不同。過去許多文獻(xiàn)主要集中于熱處理溫度的改變，研究指出熱處理溫度在400～500 ℃之間，室溫條件下SMA具有超彈性[25-27]。本文將通過保溫時間的變化，研究不同時長對SMA超彈性的影響。為此，在本文研究中選取直徑為14 mm的SMA棒材，放入高溫爐中在400 ℃工況下，分別保溫15，20，30 min，然后取出水冷，見圖2。

圖2 SMA熱處理過程Fig 2 Heat treatment process of SMA

1.3.2 循環(huán)加卸載次數(shù)

在應(yīng)變幅值為3%，試驗(yàn)結(jié)果得出的SMA應(yīng)力-應(yīng)變曲線、耗能滯回曲線、循環(huán)加卸載10次，加載應(yīng)變速率為0.017 mm/s。

1.3.3 應(yīng)變幅值

應(yīng)變幅值為1%、2%、3%、4%、5%和6%，每級應(yīng)變幅值下加卸載一次，加載應(yīng)變速率為0.017 mm/s。

1.4 力學(xué)性能參數(shù)

圖3為超彈性SMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及特征參數(shù)的示意圖。圖中σMs、σMf、σAs、σAf分別表示馬氏體相變開始應(yīng)力、馬氏體相變結(jié)束應(yīng)力、奧氏體相變開始應(yīng)力和奧氏體相變結(jié)束應(yīng)力。為了更好地分析不同工況下SMA棒材力學(xué)性能的變化，定義如下力學(xué)特征參數(shù)：

圖3 超彈性SMA應(yīng)力-應(yīng)變曲線及特征參數(shù)Fig 3 Schematic stress-strain curve and mechanical parameters of superelastic SMA

(1)殘余應(yīng)變εr：試件在卸載至應(yīng)力為零時對應(yīng)的應(yīng)變值，反映出SMA材料的自復(fù)位能力；

(2)單位循環(huán)耗能能力WD：每一次加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍的面積，反映出SMA材料的耗能能力；

(3)割線剛度ks：SMA應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中，應(yīng)力與應(yīng)變的比值；

(1)

其中：Fmax、Fmin分別表示一次滯回中的最大、最小荷載；δmax、δmin分別表示對應(yīng)的位移。

(4)等效阻尼比ξeq：SMA材料在單向拉伸然后卸載條件下的阻尼比，反映出SMA材料的阻尼性能，其中WE為總應(yīng)變能，等于WD和W之和；

(2)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱處理

熱處理具體做法為：將高溫爐爐溫調(diào)至所需溫度，保溫10 min后待溫度穩(wěn)定，將SMA棒材試件快速放進(jìn)爐內(nèi)，保溫指定時長后從爐內(nèi)取出進(jìn)行水冷處理。最后在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在圖4中D14-400-15表示直徑14 mm的棒材在400 ℃條件下保溫15 min。其它圖中以此類推。圖4(a)～(c)分別表示在400 ℃的高溫情況下，保溫15、20、30 min后對棒材進(jìn)行應(yīng)變幅值遞增拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。圖形呈現(xiàn)出旗幟型，表示試件顯現(xiàn)出完全超彈性。從圖中可以看出，3種熱處理方案的殘余應(yīng)變都比較小，當(dāng)達(dá)到6%的應(yīng)變時，保溫15 min的殘余應(yīng)變不到0.5%，可恢復(fù)應(yīng)變超過90%，具有很好的回復(fù)性能。同時，保溫30 min拉伸應(yīng)變?yōu)?%時，試件顯現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

圖4中(d)～(f)給出了應(yīng)變?yōu)?%、4%、6%時不同熱處理對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時間的增加，相變的應(yīng)力轉(zhuǎn)換平臺逐漸降低，例如，在應(yīng)變2%滯回曲線中，熱處理時長為15 min的奧氏體結(jié)束應(yīng)力約為350 MPa，而熱處理時長為30 min對應(yīng)的奧氏體結(jié)束應(yīng)力已經(jīng)降低到約170 MPa。因此，如果想要獲得更高的回復(fù)應(yīng)力，在熱處理的時間上不能過長。從殘余應(yīng)變的角度觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保溫時間增加時，殘余應(yīng)變相對會減小，即熱處理30 min的殘余應(yīng)變相對更小。

圖4 熱處理對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響Fig 4 Effect of heat treatment on stress-strain curve

綜上所述，熱處理可以優(yōu)化材料的力學(xué)性能，使其滿足工程需要。對于直徑為14 mm的棒材，選擇400 ℃保溫15 min的熱處理?xiàng)l件可以得到滿足試驗(yàn)要求的應(yīng)力和回復(fù)應(yīng)力，殘余變形也較小。在后面的分析中，試件都選用400 ℃保溫15 min的熱處理工藝后進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 循環(huán)加卸載次數(shù)

圖5(a)～(c)給出了3種直徑SMA棒材在循環(huán)加卸載10圈工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中分析可以發(fā)現(xiàn)：在前3次循環(huán)加卸載過程中，滯回曲線的各個階段以及4個相變點(diǎn)比較清楚，馬氏體正、逆相變產(chǎn)生的屈服平臺較為明顯，整個曲線顯示為旗形；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相變階段和相變點(diǎn)均不明顯，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為光滑的圓弧曲線，滯回環(huán)顯示為梭形；直徑越大，滯回環(huán)面積越小，即小直徑的SMA更易顯示出超彈性，耗能能力更好；對于同一種直徑的SMA，滯回環(huán)的面積隨著加卸載次數(shù)的增加而逐漸減小，也即是耗能量隨著加卸載次數(shù)的增加而逐漸減小；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變的滯回曲線向下移動，相變應(yīng)力平臺下移，一般在加卸載5次后，應(yīng)力-應(yīng)變的滯回曲線形狀基本穩(wěn)定。圖5(d)的分析結(jié)果來看，增加循環(huán)次數(shù)達(dá)到30圈，加大拉伸應(yīng)變，也會顯示出如上的規(guī)律。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用時，可以提前對試件進(jìn)行拉伸訓(xùn)練，使其性能穩(wěn)定后使用。

圖5 循環(huán)加卸載對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響Fig 5 Effect of cyclic loading on stress-strain curve

圖6(a)～(d)為不同直徑棒材的力學(xué)特征參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加變化規(guī)律曲線?？傮w而言，殘余應(yīng)變、單循環(huán)耗散能量、割線剛度、等效阻尼比隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸趨于穩(wěn)定。其中，WD、ks和ξeq都隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，但是降低幅度不大；εr隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增大。直徑5.5、10、14 mm棒材的εr在經(jīng)過10次循環(huán)后，相比首次循環(huán)增加33.7%、116%和110%，但是最大殘余應(yīng)變也沒有超過0.4%，可恢復(fù)應(yīng)變超過90%；3種直徑的WD隨循環(huán)次數(shù)的增加，分別降至首次循環(huán)的96%、67.9%和60%，其中5.5 mm棒材的WD幾乎沒有變化；3種直徑棒材的ks在經(jīng)過5次循環(huán)后趨于穩(wěn)定；ξeq隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，約5個循環(huán)后穩(wěn)定，分別由首次循環(huán)的5.4%、3.7%、3.1%降至4.9%、2.8%和1.9%。由此可以看出，經(jīng)過一定循環(huán)后，棒材的各項(xiàng)性能逐漸穩(wěn)定。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)下特征參數(shù)比較Fig 6 Comparison of mechanical behavior for increasing cyclic number

2.3 應(yīng)變幅值遞增

從圖7(a)～(d)為不同應(yīng)變幅值下，4種直徑SMA棒材應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變幅值的增大，應(yīng)力平臺逐漸降低，而逆相變平臺較正相變降低幅度要大得多。直徑8 mm的殘余應(yīng)變較其它三個更大，這主要是由于當(dāng)時拉伸試件時，環(huán)境溫度太低有關(guān)。

圖7 應(yīng)變幅值遞增對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響Fig 7 Effect of increasing strain amplitudes on stress-strain curve

圖8為4種直徑棒材在不同應(yīng)變幅值下力學(xué)特征參數(shù)比較。具體分析圖8可以看出，4種直徑的εr隨著應(yīng)變幅值的增加呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢，其中直徑8 mm的εr變化最大，由0.18%增大到1.06%；能量耗散WD隨著應(yīng)變幅值增加呈現(xiàn)近似直線增加，例如直徑14 mm的WD由1%應(yīng)變時的0.277 MJ/m3增加到6%應(yīng)變時的12.179 MJ/m3，增加了43倍；割線剛度ks在3%應(yīng)變之前隨著應(yīng)變幅值增加而急劇下降，隨后降低幅度變緩；等效阻尼比ξeq的變化趨勢和ks完全相反，在3%應(yīng)變之前ξeq隨著應(yīng)變幅值線性增加，3%應(yīng)變以后其值基本趨于穩(wěn)定，但直徑14 mm的ξeq呈現(xiàn)出線性增長的趨勢，從1.1%增加至5.8%。

圖8 不同應(yīng)變幅值下特征參數(shù)比較Fig 8 Comparison of mechanical behavior for increasing strain amplitudes

3 結(jié) 論

本文通過對直徑5.5、8、10和14 mm 4種SMA棒材的力學(xué)拉伸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了熱處理、循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變幅值對其超彈性的影響。具體結(jié)論如下：

(1)熱處理對于棒材的相變應(yīng)力影響較大。隨著熱處理時長的增加，SMA棒材的相變應(yīng)力明顯降低；對于直徑14 mm的棒材，400 ℃保溫15 min熱處理后的回復(fù)應(yīng)力更高，殘余應(yīng)變也較??；

(2)隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增加，3種直徑棒材的單循環(huán)耗能、割線剛度、等效阻尼比逐漸降低；殘余應(yīng)變累積增加；約5個循環(huán)后趨于穩(wěn)定；

(3)隨著應(yīng)變幅值的增加，應(yīng)力平臺向下移動；各項(xiàng)力學(xué)特征參數(shù)變化顯著。