2010年5月第26卷第3期沈阳建筑大学学报（自然科学版）
JournalofShenyangJianzhuUniversity（NaturalScience）May2010Vol.26，No.3
文章编号：1671－2021（2010）03－0458－06
超弹性形状记忆合金丝力学性能试验
阎
石，王
琦，王
伟
（沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168）
要：目的研究形状记忆合金循环拉伸时的基本力学性能，为基于形状记忆合金的阻尼器
设计奠定基础.方法采用循环拉伸的试验方法，考虑循环次数、加载速率、峰值应变等参数对摘
形状记忆合金的应力应变关系、阻尼和残余应变等性能的影响，把试验结果同Grasser理论模型进行对比，研究影响形状记忆合金超弹性性能的主要因素、影响规律和结果.结果在一定的
20次循环后趋于稳定.随着循加载速率下，随着循环次数的增加，应力－应变曲线逐渐下移，相变应力和阻尼逐渐减小，残余应变逐渐增加并趋于稳定；加载应变越快，耗能环次数的增加，
能力略有减低；随应变幅值的增加，超弹性SMA丝材料的耗能能力和等效阻尼近似线性增加，材料模量随应变幅值的增加明显降低，但应变幅值对材料的相变应力影响较小.结论经过一定次数的循环以后，形状记忆合金能表现出稳定的非线性应力应变关系和耗能能力，是制作阻尼器的较理想材料.
关键词：形状记忆合金；超弹性；循环拉伸试验；滞回模型；应变率
+
中图分类号：TG139.6
文献标志码：A
制作阻尼器所采用的SMA丝材进行力学试验研究.笔者采用循环拉伸的试验方法，研究SMA丝材的超弹性性质，明确主要影响因素及其影响规律，掌握其主要力学特性，为利用SMA的阻尼器设计奠定基础.
形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简称SMA）具有形状记忆效应和超弹性两种典型的功
恢复能.由于超弹性能够使其经过非线性变形后，
没有残余变形，并且具有较好的滞回到原始状态，
是制作阻尼器的理想材料.为了使SMA制面积，
作的阻尼器得到工程中的实际应用，研究人员对SMA的力学性能进行了大量的研究工作［1－12］.探讨了在温度、应力作用下的SMA相变变化规
给出了超弹性NiTi组成的SMA在静力荷载律，
作用下的一些基本力学特性，研究了加载频率、应变幅值及荷载循环等荷载因素对SMA丝材阻尼特性的影响，给出了材料的耗能能力与这些因素之间的关系.
由于影响SMA的超弹性性质的因素较多，且SMA的力学性能对合金组成及加工工艺非常敏感，一些细小的成分差别及加工工艺的改变都能导致SMA材料性能的很大变化，即使是同一
其性能也不相同.这些影响因素批号的合金材料，
为阻尼器的设计带来一定的困难.因此有必要对
1试验概况
试验在沈阳建筑大学工程力学实验室完成，
采用NiTi形状记忆合金丝，直径为1mm，试件长
其夹具间长度为200mm.采用的加度为260mm，
载装置为SANS微机控制电子万能试验机.试验采用等位移加载方式，加载终止条件由位过程中，
移控制，卸载终止条件由力控制，此过程由计算机
自动控制，试验结果由计算机自动采集，试验装置如图1所示.
2试验方法
对超弹性NiTiSMA丝的拉伸试验，主要考
收稿日期：2009－11－12
基金项目：辽宁省高校重点实验室支持计划（2008S189）；沈阳市人才资源开发专项基金项目（2007140203002）作者简介：阎石（1962—），男，教授，博士研究生导师，主要从事智能材料与智能结构研究.
第26卷阎石等：超弹性形状记忆合金丝力学性能试验459
各滞回曲线基本上能保持平行.随着循环次数定，
4个相变应力减小，的增加，但减小的幅度不同.图2（b）中，马氏体相变应力降低幅度较大，
而奥氏体相变应力的降低幅度小一些；在约第15次循环之后，马氏体相变应力逐渐趋于稳定；在约第10次循环之后，奥氏体相变应力趋于稳定.SMA丝的耗能能力随着循环次图2（c）中，数的增加，有着不同程度地降低.在开始的几次循SMA丝的耗能降低幅度很大，环中，在循环次数达到约15次之后，材料的滞回耗能逐渐稳定下来，从第1次循环到第30次循环，耗能量由2336.7（N·mm）降低到1764.1（N·mm），减小SMA材料了约25%.当循环次数从1增加到30，的等效阻尼比从0.093降低到0.084，等效阻尼比的变化较小，如图2（d）所示.
图2（e）中，随着循环次数的增加，材料的累积残余应变增加.残余应变在加载初期增幅较大，当循环次数达到15次后，残余应变的增加幅度较小，循环30次后基本达到饱和值1.5%，材料呈现出较明显的完全超弹性.3.2
加载速率的影响取应变幅值为6%，试验室温度为20℃.图3
1.试验机；2.数据采集计算机；3.SMA丝。
图1
Fig.1
试验装置图
Experimentalequipmentinstallation
虑加载速率、应变幅值及循环次数等荷载工况对
SMA力学性能的影响，其中，力学性能主要包括应相变应力、滞回耗能及材料损耗因子、力应变关系、变形模量、残余应变等参数.具体实验步骤如下.（1）NiTi丝的等应变幅值循环拉伸测试.在
卸载循环试验，拉伸应变为室温下进行拉伸、
6%，循环30次，以使材料超弹性性能稳定.
（2）NiTi丝在不同环境因素下的拉伸试验.6%循环30次后，从应变2%开始，进行加载、卸
以1%的应变步长逐渐增加至6%，试验具体载，
加载方法见表1.
表1Tab.1
工况123
显示了不同加载速率下超弹性SMA丝的力学性
能.在图3（a）中，滞回曲线随加载速率的增加而在加载速率较小（6mm/逐渐向斜上方发展，min）时，“屈服平台”材料的加、卸载较明显，两个平台的斜率很小，各相变临界点容易确定，随着加
，“屈服平载速率的提高，相变区域斜率明显增加台”不在明显，临界点被光滑圆弧代替而不易确定.
图3（b）给出了加载速率对材料相变应力的影响，随着加载速率的增加，各相变应力有着不同的变化，马氏体完成时应力σMf和奥氏体开始时应力σAs在加载速率范围内随着加载速率的增加，增加的幅度非常小，分别增加了14%和13%；马氏体开始时应力σMs在速率6～30mm/min时
而在30～360mm/min范围内基本不略有增加，
变；奥氏体完成时应力σAf在速率6～30mm/min
时略有降低，而在30～360mm/min范围内基本不变.
图3（c）显示了加载速率对耗能量的影响.当速率由6mm/min增加至30mm/min，耗能量增加了9%，随速率的进一步提高，耗能量略有减
但减小的幅度不大.小，
试验加载方法
Loadingmethodofthetest
加载方法
min－1）加载速率/（mm·
306，3606，30，72，144，360
循环30次，应变幅值6%3%，分别在最大应变2%，4%，5%，6%处各循环一次
在应变幅值6%处做5种加载速率加载
3
3.1
试验结果与分析
循环次数的影响
以典型工况下试验结果为例进行分析.在图2中，以试验方法（表1）中的工况1为例，说明循环次数对SMA的应力－应变曲线、相变应力、滞回耗能及等效阻尼比、残余应变等主要力学性能参数的影响，试验时环境温度为20℃.
从图2（a）中看出，随着循环次数n的增加，
20次循环后趋于稳应力－应变曲线逐渐下移，
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图2
Fig.2
循环次数对超弹性SMA丝力学性能的影响
EffectsofcyclicnumberonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires
图3
Fig.3
加载速率对超弹性SMA丝力学性能的影响
EffectsofloadingrateonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires
第26卷阎石等：超弹性形状记忆合金丝力学性能试验461
在图3（d）中，当加载速率<30mm/min时，等效阻尼比随加载速率的增加而有所增加；而当加载速率>30mm/min时，等效阻尼比随加载速率的增大而降低.3.3
加载幅值的影响
图4为在不同应变幅值下超弹性SMA丝的力学性能.其中，加载速率为6mm/min，试验温度为20℃.
在图4（a）中，随着应变幅值的增加，滞回环的高度变化不大，但其宽度却成线性增加，正相变“屈服平台”“屈服平台”时近似重合，而逆相变时略有下移.
在图4（b）中，当应变幅值从2%增加到6%时，超弹性SAM材料卸载时的变形模量从29711MPa降低到13011MPa，它随应变幅值的增加而基本上呈线性减小.
在图4（c）和（d）中，应变幅值对超弹性SMA丝材料的耗能能力和等效阻尼比影响很大，材料的耗能量和等效阻尼比均随应变幅值的增加而基
本上线性增加，当应变幅值由2%增至6%时，耗
mm）增至1623（N·mm），能量由191（N·增加了8.5倍，由此可见，应变幅值是影响超弹性SMA
丝材料耗能能力最重要的因素.此外，从图4（a）中还可以看出，应变幅值对材料的相变应力影响较小.3.4
Grasser模型数值模拟
［13］
采用Grasser理论模型，对NiTi丝的力学性能进行数值模拟.在上述试验结果中，把加载速
率30mm/min，加载应变幅值6%（12mm）的试验曲线和理论模拟曲线进行对比，如图5所示.超弹性NiTi丝的模拟参数如下：E=23000
EM=18500MPa，Y=360MPa，cMPa，α=0.138，=0.001，fT=0.135，a=350，n=7.其中E为弹性模量；EM为马氏体时弹性模量；Y为屈服应力；α是由一维的应力应变σ－ε曲线的斜率决定的常
fT、a、c为与材料有关的常数.从图中可以看数；n、
出，理论模型曲线和试验曲线吻合很好.
图4
Fig.4
加载幅值对超弹性SMA丝力学性能的影响
EffectsofstrainamplitudeonthemechanicalbehaviorsoftheSMAwires
462沈阳建筑大学学报（自然科学版）第26卷
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图5
Fig.5
试验曲线和数值拟合曲线对比
Comparisonsoftheexperimentalcurvesandnu-mericalvaluefittingcurves
4结论
（1）在一定的加载速率下，随着循环次数的20次循环后趋增加，应力－应变曲线逐渐下移，4个相变应力减于稳定.随着循环次数的增加，
4个相变应力趋于稳小，在经历十几次循环后，SMA的耗能量、定.在循环开始时，残余应变与等效阻尼比变化较大，但随循环次数的增加也渐趋稳定.因此，当SMA应用于工程结构振动控制时，可对SMA进行一定程度的预循环训练，以获得力学性能较稳定的SMA材料.
（2）随着加载速率的增加，“水平滞回曲线由平台”过渡为斜向上发展的曲线，σMf、σAs和σMs在加载速率范围内随着加载速率的增加略有增加，而σAf略有降低；当加载速率<30mn/min时，耗能量、等效阻尼比随速率增加而增加，随速率的进一步提高，它们略有减小，但减小的幅度不大.因此，加载速率是影响SMA丝力学性能的一个主要因素.
（3）应变幅值对超弹性SMA丝材料的耗能能力和等效阻尼比影响很大，随应变幅值的增加它们近似线性增加，材料模量随应变幅值的增加明显降低，但应变幅值对材料的相变应力影响较小.因此，加载应变幅值是影响SMA丝力学性能的另一个主要因素.
（4）对Grasser模型的数值模拟结果和试验结果进行比较，结果表明Grasser模型可以用来模拟超弹性SMA丝的受力性能.
第26卷阎石等：超弹性形状记忆合金丝力学性能试验463
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YANShi，WANGQi，WANGWei
（SchoolofCivilEngineering，ShenyangJianzhuUniversity，ShenyangChina，110168）
Abstract：Inthispaper，thebasicmechanicalpropertiesofshapememoryalloys（SMAs）areresearchedbythemethodofcyclictension，whichcanbeusedforthedesignofdamperswiththeSMAs.Cyclenumber，loadingrateandpeakstrainareconsideredtoinvestigatetheireffectsonthemechanicalparametersofSMAs
dampingandresidualstressbythecyclictensiontest.Theexperimentalsuchasthestress-strainrelationship，
resultswerecomparedwiththemodelofGrasser′stheory.Themajorinfluencedparameters，lawsandresultsforthepseudo-elasticity（PE）performanceoftheSMAsareresearched.Theresultsshowedthat，atacertain
loadingrate，withthecyclenumberincreasing，thestress-straincurvesaregradualdownwardandthecurves
thephasestressanddampingoftheSMAwirestabilizeafter20cycles.Withthecyclenumberincreasing，
willbegettingdecreased，buttheresidualstresswillincreaseandtrendtostabilize.Theloadstrainisfaster，theenergydissipationcapacityislower.Withthestrainamplitudeincreasing，theenergydissipationcapacityandequivalentdampingoftheSMAsapproximatelylinearincrease，andthemodulusdecrease.Butthestrainamplitudehaslessimpactonthephasestress.SMAwires，whichareidealmaterialformakingdamper，canbehavestablestress-strainrelationshipandenergy-dissipationcapacityafteranumberofloadingcirculations.
Keywords：shapememoryalloy；pseudo-elasticity；circulationtensileexperiment；hystereticmodel；loading
rate