第4章形状记忆合金分解.pptx

智能材料与智能系统 形状记忆合金及其在智能结构中的应用 形状记忆合金复合材料及其智能属性 NiTi合金丝复合材料 NiTi形状记忆合金颗粒复合材料 NiTi合金丝复合材料 将预应变NiTi形状记忆合金复合于基体材料中，采用通电加热方式对NiTi丝激励。 当温度高于As时，在无约束状态下，它恢复到原来长度。 若恢复过程受到边界条件限制，则NiTi合金产生回复应力。 NiTi丝的力学行为随激励温度变化而变化。 原理 NiTi合金丝复合材料 原理 从图中可知，未经激励的NiTi丝弹性模量为34.5 GPa，屈服应力为275.8 MPa，激励后的NiTi丝弹性模量为69 GPa，屈服应力为965 MPa。 可见激励后引起的相变促使材料内部性能有很大的变化。人们利用这一原理把形状记忆合金丝或颗粒作为复合材料的增强剂。 NiTi合金丝复合材料 步骤 ① 形状记忆合金处于奥氏体状态，复合于基体中； ② 复合材料冷却到Mf以下，使形状记忆合金处于马氏体状态； ③ 使复合后材料变形； ④ 当温度升到As以上时，因形状记忆合金收缩受到基体的约束，在复合材料中产生压应力，使得复合材料的拉伸性能提高，从而使内部的损伤裂纹自动闭合。 NiTi合金丝复合材料 分析 将预应变NiTi合金丝复合于基体材料中, NiTi合金丝受到热激励后，力图收缩l 长度，如图4-23所示。NiTi丝回复力作用于基体材料上，使基体材料压缩X，基体材料阻止NiTi丝回复，相当于对NiTi合金丝作用一拉力，使其伸长 l 1= l -X。 将NiTi合金丝(表面绝缘处理)复合于ZL-105铝合金基体后,NiTi合金丝使裂纹附近应力和张开位移大为降低。 利用NiTi合金伪弹性特点，可使抗裂纹萌生寿命提高2.3倍，裂纹从0.68mm扩展到1.22mm的疲劳寿命提高1.83倍。 利用NiTi合金热激励产生回复力特性，可使裂纹萌生寿命提高4.68倍，裂纹从0.68 mm扩展到1.22 mm的疲劳寿命提高3.95倍。可见，利用NiTi记忆合金丝抑制裂纹效果是明显的。 NiTi合金丝复合材料 结论 NiTi合金颗粒复合材料 原理 金属基复合材料MMCs具有一系列与金属性能相类似的特点，与目前广泛使用的树脂基复合材料和其他复合材料(如陶瓷基复合材料)相比，作为结构材料它兼有高强度、高弹性模量、高韧性和冲击性能。但是，金属基复合材料也存在一些问题。它们通常是采用高温制备随后冷却的方法将增强剂复合于金属基体中，由于增强剂与基体膨胀系数不同，往往在复合材料中产生残余应力。在大多数MMCs中。增强剂的膨胀系数小于基体的膨胀系数，从而在MMCs形成拉应力。这种拉应力会大幅度降低屈服强度。当增强剂的膨胀系数大于基体的膨胀系数时，MMCs的残余应力为压应力，能提高屈服强度，尤其是提高断裂韧性KIC将SMAs复合于金属材料基体中，利用SMAs的记忆效应，在基体中形成压应力，能提高强度与弹性模量。 记忆合金颗粒复合于金属材料基体中，基于形状记忆效应原理，粒子可具有自增强基体的特性。自增强的机理简述如下。 (1)假设粒子近似球形，均匀分布在Al基体中，粒子与基体完全联接在一起形成弹性体，如图4-24(a)所示。通过处理使粒子的母相转变终了温度Af低于使用温度，从而在使用温度下，粒子是母相状态。 (2)降低温度至马氏体转变终了温度Mf以下，使粒子呈马氏体状态，如图4-24(b)所示。 (3)使样品产生一定量的变形，从而处于马氏体状态的粒子产生预应变，如图4-24(c)所示。 (4)使变形后的样品温度升高至使用温度。由于使用温度高于Af，粒子中的马氏体相逆转变为母相，预应变的粒子恢复成球形，如图4-24(d)所示。由于基体的约束作用，粒子不能恢复成球形，在样品拉伸方向产生压应力，从而提高复合材料抵抗拉伸变形能力，起到增强作用。 NiTi合金颗粒复合材料 机理 形状记忆合金的应用 提高冲击韧性 主动控制裂纹产生和扩展 主动控制振动 良好“自适应”耐疲劳磨损 作自适应紧固件、连接件和密封垫 热敏控制器 医学方面应用 智能机械 在宇航空间技术方面 提高冲击韧性 应用 有些高分子材料在加载、卸载过程中，由于不存在塑性屈服而呈现脆性，冲击韧性往往很低，例如石墨／树脂复合材料在使用中的最大缺点是不耐冲击。当应力超过屈服强度时，复合材料不发生塑性屈服而呈现突然灾难性断裂。有人曾采用橡胶增韧和在复合材料内部形成热塑性纤维／基体界面层增韧方法，但效果均不理想。 将编制成网状的NiTi记忆合金丝贴在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。比较NiTi记忆合金、高分子和金属材料(Al、不锈钢)发现，当超过NiTi记忆合金马氏体相变临界应力时，首先发生应力诱发P→M相变而吸收能量，并产生5％可恢复应变，而Al合金和304不锈钢却早已产生不可恢复