第15卷　第4期2008年8月 金属功能材料MetallicFunctionalMaterials Vol115,　No14August,　2008

应变率和应变历史对Cu2Al2Zn形状记忆合金力学行为的影响

王国平1,陈九磅1,龚　明2(11合肥工业大学　材料科学与工程学院,合肥　230009;

21中国科学技术大学　中科院材料力学行为和设计重点实验室,合肥　230026)

摘　要:本文研究了不同应变率和应变历史对单相Cu2Al2Zn形状记忆合金的力学行为的影响。结果表明,在试验应变率01001/s～011/s范围,单相记忆合金是一种应变率相关材料,抗拉强度R

m

和断裂应变ε

f随应变率的增加

而降低,呈现应变率弱化效应;但是,应变率改变对母相的弹性变形、热弹马氏体相变的起始应力没有显著影响。实验结果还表明,合金存在明显的相变诱发应变滞后和应力松弛现象。关键词:形状记忆合金;力学行为;应变率;应变历史中图分类号:TG13916 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2008)04-0015-04

InfluenceofStrainRateandStrainHistoryonMechanicalBehaviorsofCu2Al2ZnShapeMemoryAlloy

WANGGuo2ping1,CHENJiu2bang1,GONGMing2(11DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;

21CASKeyLaboratoryofMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)

ABSTRACT:TheinfluenceofstrainrateandstrainhistoryonmechanicalbehaviorswasinvestigatedforCu2Al2Znshapememoryalloyofsinglephase.Ithasbeenfoundthatthealloyisakindofstrainratesensitivematerialintheteststrainratesfrom01001/sto011/sregion1Bothtensilestrengthandfracturestraindecreasewiththeincreaseofstainrate,exhibitingastrainrateweakeningeffect1Butthevariationsofstrainratehavenoobviouseffectonthee2lasticdeformationbehaviorsofthemotherphaseandtheinitialstressforstressinducedthermo2elasticmartensitetransformation1Theexperimentalresultsalsoshowthattherearedistincttransformation2inducedstrainhysteresisandstress2reliefphenomenonaforsinglealloy1KEYWORDS:shapememoryalloy;mechanicalbehaviour;strainrate;strainhistory

作者简介:王国平(19652),男,在职博士研究生,副教授,主要从事金属材料方面的研究工作,发表论文20余篇。Email:wangguoping217@sina1com

Cu2Al2Zn形状记忆合金作为功能材料,由于价格低廉,记忆效应良好,已成为记忆合金的一个重要分支,其记忆效应机制以及与之相关的超弹性效应和力学行为引起了有关学者的广泛关注。例如文献[1]揭示了铜基形状记忆合金不仅具有单程形状记忆效应,而且有的还具有双程甚至全方位记忆效应;

文献[2]利用不同固溶和时效条件下得到的不同类型马氏体的形态、结构,研究了应力诱发马氏体相变与相变塑性的关系;Graesser,Liang[3,4]等尝试利用形状记忆合金的相变和逆相变,来实现结构振动控制、

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net变形控制等;Boyd和Lagoudas[5]进一步建立了一系列包括温度、相变变量等状态变量在内的本构关系。记忆合金无论是应用于普通工业结构器件,还是高科技的人工智能复合机敏元件,在成型加工或服役过程中都不可避免地承受冲击或多次加卸载荷。尽管有研究显示,记忆合金具有典型的粘滞特性[6],但多次加卸载后记忆效应的可恢复性以及应变率对力学性能的影响目前尚不清楚。因此,研究其在不同应变率下的力学行为以及应变历史的影响,对材料性能改进和工程应用都具有重要的意义。1　实验方法试验用记忆合金以电解铜、工业纯铝、纯锌、纯锰和铜-锆中间合金为原料,在中频炉中用石墨坩埚熔炼获得。用铁模浇铸成18mm×150mm×250mm扁锭,850℃热轧制成1mm厚板材,最后经热处理获得需要的试验合金。拉伸试验采用扁平哑铃形试样,为减少机械加工引起的材料组织改变,采用线切割加工方法制备,形状和尺寸如图1所示。合金的化学成分为:Cu-10%(质量)Al-6%(质量)Mn-4%(质量)Zn-013%(质量)Zr,最终显微组织是只含热弹性马氏体母相β的单相组织如图2所示。每种试验条件下的试样数均为3件。图1　拉伸试样形状和尺寸Fig11　Theshapeanddimensionsofspecimenfortensiletest图2　Cu2Al2Zn形状记忆合金显微组织Fig12　MicrostructureofCu2Al2Znshapememoryalloy力学试验全部在MTS809拉扭复合材料试验机上完成。其中,拉伸应变率效应试验的应变率分别设定为01001/s,0101/s,011/s。保载试验的保载应力为300MPa;松弛试验的应变值设为01015,所有保载和松弛时间均为10min。加载时采用位移控制,速率01001/s,卸载时采用载荷控制,并分别在每次循环应力最大处保载2min。

2　试验结果及讨论211　应变率对CuAlZn记忆合金力学行为的影响图3和图4是单相Cu2Al2Zn形状记忆合金在不同应变率下的典型拉伸应力应变曲线和力学性能指标。从曲线可以看出,在三种试验应变率(01001/

s、0101/s、011/s)下,材料的抗拉强度Rm和断裂应变εf随应变率的增加而降低。呈现应变率弱化倾

向。高应变率(011/s)下的Rm和εf分别由应变率

01001/s下的880MPa和01120下降到790MPa和01106,Rm和εf的相对降低值均超过10%。可见,只含热弹性马氏体母相β的单相铜基形状记忆合金是一种应变率相关材料。

图3　不同应变率下的拉伸应力应变曲线Fig13　ThetensilestressstraincurvesforCu2Al2Znalloyunderdifferentstrainrates

图4　不同应变率下的力学性能指标Fig14　ThemechanicalpropertiesforCu2Al2Znalloyunderdifferentstrainrates但是,在试验应变率01001/s～011/s范围,应

61金属功能材料 2008年© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net变率改变对母相的弹性变形、热弹性马氏体相变的起始应力没有显著影响。212　应变历史对CuAlZn记忆合金力学行为的影响图5为多次加卸载应力应变曲线。与图3的单次加载的应力应变曲线比较,不难发现,随着加卸载次数的增加,应力诱发马氏体相变的起始应力逐渐降低,如图6所示。这是因为随着加卸载次数增多,材料内部晶体缺陷数量增加、以及位错排列的有序化和有利化[8],造成局部内应力增大,从而使得在较低外力水平下就能诱发马氏体相变。图5　多次加卸载应力应变曲线Fig15　Thestressstraincurvesforβalloyundermultipleloadingandunloading图6　合金应力诱发马氏体相变的起始应力Fig16　Theinitialstressesofstressinducedmartensitetransformationforalloy用多次加卸载曲线每一次弹性加载段独自拟合的弹性模量值示于图7。结果显示,在多次加卸载过程中,后一次加载的弹性模量总是小于前一次,即随着加卸载次数的增加,材料的弹性模量逐渐降低。在多次加卸载应力应变曲线上,伪弹性转变点的淡化以及弹性模量随加卸载次数增加而降低等现象与卸载后热弹性马氏体不能完全恢复为母相有关。当第一次加载应力超过伪弹性转变点时,合金中的母相即发生应力诱发马氏体相变。由于本次试验用的铜基合金As点约为50℃,因此,室温下应力诱发马氏体卸载后并不能全部逆转变为母相,即部分马氏体被保留下来[9]。再次加载,伪弹性转变点出现前就有马氏体参与弹性变形。又因为马氏体的弹性模量比母相小,从而导致后一次加载的弹性模量小于前一次。而且,随着加卸载次数的增加,组织中残余热弹性马氏体的含量增加,弹性模量逐渐降低。图5单相合金多次加卸载应力应变曲线还显示,在每次加载最大应力处都出现一个应变平台,平台宽度随应力的增大以及加卸载次数的增多而变窄。

图7　弹性模量随加卸载次数的改变Fig17　Theelasticmodulusvariationsvsloadingtimes213　Cu2Al2Zn记忆合金保载和松弛试验保载试验结果图8显示,单相合金的应力应变曲线存在明显的应变平台,与图5相比,由于保载时间从2min增加到了10min,应变平台显著变宽。

图8　合金保载试验的应力-应变曲线Fig18　Thestressstraincurveforalloywithaperiodofloadkept图9为上述试验保载段的应力和应变随时间的变化曲线。结果显示,在保载段应变随时间单调增加,当保载时间大于8min之后,应变趋于一恒定