IMECH-IR  > 流固耦合系统力学重点实验室
NiTi形状记忆合金强激光冲击变形机理及表面改性研究
Alternative TitleDeformation mechanism and surface modification of NiTi shape memory alloys treated by laser induced shock
夏伟光
Thesis Advisor黄晨光 ; 王曦
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline工程力学
AbstractNiTi形状记忆合金在一定应力或温度作用下会产生马氏体相变,因而具有独特的形状记忆效应和超弹性性能,作为一种功能材料在工程中获得了广泛的应用。大量研究表明,NiTi合金的相变行为不仅与压力及温度相关,同时还与材料经历的变形速率密切相关。目前NiTi合金在高压(GPa量级)及超高应变率(大于105 s-1)范围内的相变机理仍然不清楚。强激光诱导的冲击波是一种新型的高压、高速加载方式,能够使材料获得超高的变形速率,是研究材料高压、高应变率行为的有效实验手段。同时,激光冲击强化能够有效地提高NiTi合金表面服役性能。但是由于形状记忆合金的本构模型比较复杂,在激光诱导冲击波作用下会发生马氏体相变和马氏体塑性等一系列非线性力学行为,给激光冲击强化表面改性效果的评估及其参数优化带来了较大的困难。针对上述问题,本文利用量纲分析方法研究了含相变的复杂材料体系在激光冲击过程中强化效果的主控无量纲参量及其影响规律;利用强激光冲击实验平台研究了NiTi合金在超高应变率下的相变行为,获得了应变率及压力对马氏体相变的影响规律;基于广义塑性理论,建立了包含相变和塑性变形的三维本构模型,结合显示有限元数值模拟给出了冲击波在NiTi材料内的传播与衰减规律;并较为系统地分析了NiTi合金的激光冲击表面改性效果和变形机理。主要研究进展包括: 1. 针对具有相变和塑性变形复杂本构的形状记忆合金材料,采用量纲分析方法给出了激光冲击过程中影响残余应力幅值及深度的主控参量,利用数值模拟方法研究了无量纲压力持续时间和无量纲冲击峰值压力对强化效果的影响规律,发现在一定参数范围内,塑性影响层深度和压力持续时间及峰值压力的增加均呈线性增长的关系。 2. 利用不同的加载手段系统研究了NiTi合金在10-3~107 s-1应变率范围内的马氏体相变行为。当应变率低于104 s-1时,马氏体相变应变随应变率的升高而减小,相变应力随应变率的升高而增加。在激光冲击加载过程中(应变率106~107 s-1),当冲击峰值压力高于8.6GPa时,利用激光干涉多普勒速度仪PDV测量得到的自由面质点速度,呈现出三波结构,确定了相变波的存在。根据本文的结果,结合Nemat-Nasser等[1]、Liao等[2]和Wang等[3]的研究,发现NiTi合金在超高应变率的加载条件下产生马氏体相变存在一个临界的冲击压力,这个临界值介于4.5GPa到7.5GPa之间,澄清了现有文献中存在的争议[1, 2]。 3. 基于广义塑性理论,发展了一种包含形状记忆合金奥氏体弹性、马氏体相变、马氏体塑性及逆相变过程的本构模型,并编制了ABAQUS用户材料子程序VUMAT。通过计算分析了激光诱导的冲击波在NiTi合金中的传播特性,捕捉到了由于马氏体相变和塑性引起的三波结构,给出了与PDV实验结果较为一致的上升沿特征。同时,通过分析获得了激光冲击过程中波剖面压力及质点速度等特征参量随传播深度的无量纲指数衰减规律。 4. 系统地研究了NiTi合金激光冲击强化表面改性效果和强化机理。发现激光冲击强化后NiTi合金表面硬度在一定的激光功率密度范围内随激光峰值功率密度的增加而提高,冲击区残留一定幅值的残余压应力。耐腐蚀性随激光功率密度的增加近似呈线性提高,且多次冲击能够提高材料的耐腐蚀性,但是过高的冲击次数反而会降低耐腐蚀性。通过DSC测量结果和超弹性应力-应变曲线发现,强激光冲击后NiTi合金的超弹性性能略有降低,激光冲击强化能够保留大部分的超弹性性能。激光冲击强化后NiTi合金微结构的演化与激光诱导冲击波的峰值压力相关,冲击区能否产生残余马氏体存在一个临界的冲击压力。当冲击压力低于这个临界值时微结构主要是位错和非晶,而没有残余马氏体;高于该临界值时微结构主要是残余马氏体。
Call Number31256
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55127
Collection流固耦合系统力学重点实验室
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GB/T 7714
夏伟光. NiTi形状记忆合金强激光冲击变形机理及表面改性研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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