材料形状记忆合金阻尼器SMA的减振技术和应用.docx

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1、摘要形状记忆合金是一种在构造振动控制领域具有广泛应用前景的智能材料。本文简介形状记忆合金最明显的两个性质：状记忆效应和超弹性，并详细的总结了形状记忆合金在构造振动控制中的应用。关键字：形状记忆合金；减振；应用ABSTRACTTheshapememorya11oyisaninte11igentmateria1,whichhasagoodprospectinthefie1dofstructura1vibrationcontro1.Thisthesisintroducesthattheshapememorya11oyhastwoveryimportantcharacteristics：shapeme

2、moryeffectandsupere1astic,andanoverviewofSMAapp1icationsinStructura1vibrationcontro1aresummarized.KEYWORDS：Shapememorya11oy；Damping；App1ication1序言形状记忆合金(ShaPeMemoryAI1OyS,简称SMAS)是一种具有多种特殊力学性能的J新型功能材料,运用形状记忆合金超弹性效应(SUPere1aStiCEffect,简称SE)设计B被动耗能器与其他B金属耗能器相比,具有耐久性和耐腐蚀性能好、有效期限长、容许大变形并且变形可答复等一系列长处，因此在构

3、造振动控制领域具有很好0应用前景形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程构造的振动控制是从上世纪90年代初开始I内，并且到目前为止，大多数研究重要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。例如,GraeSSCH5等人提出的用于桥梁构造的2形状记忆合金的发展历程形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者OIander在AuCd合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1:1的CsCI型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变，不过都未引起人们足够的注意。形状记忆合金作为一种新型功能新

4、材料为人们所认识，并成为一种独立的学科分支是始于1963年，当时美国海军武器试验室的W.J.Bueh1er博士领导的研究小组在一次偶尔0状况下发现NiTi合金0工作性能因温度不一样，敲击时发出日勺声音也有明显不一样B现象，这种现象阐明该合金0声阻尼性能与温度有关，通过深入研究，发现近等原子比的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应(shapememoryeffect,简称SME),并且报道了通过X射线衍射等试验0研窕成果。后来Ni-Ti合金作为商品进入市场给近等原子比的Ni-Ti合金商品取名为Nitino1o70年代初,又发现Cu-A1-Ni合金也具有良好的形状记忆效应，到1975年左右,相继开

5、发出具有形状记忆效应0合金达20种。并在1975年在加拿大多伦多大学召开了国际上第一次形状记忆效应及其应用研讨会，从此与形状记忆合金有关日勺相变和力学行为的研究一直是国际马氏体相变会议及新材料会议的重要议题之一。1975年至1980年左右，对形状记忆合会的形状记忆效应机制、以及和形状记忆效应亲密有关0相变伪弹性效应，或叫超弹性、拟弹性机制展开了世界性规模B研究，研究中发现B双程形状记忆效应、全方位形状记忆效应、R相变等现象,为形状记忆合会的应用开拓了更广阔的前景。80年代初，经历了将近23年的时间，科学研究工作者们终于突破了Ni-Ti合金金研究中B难点，研究和建立了形状记忆合金本构关系，成为当

6、时形状记忆合金的标志性学术成果。从那后来，形状记忆合金成了许多国家的热门学科。不仅如此，形状记忆合金在市场上付诸实际应用的例子已逾上百种，应用波及时领域及其广泛,包括电子、机械、宇航、运送、建筑、化学、医疗、能源、家电、以及平常生活用品等。从此后来，形状记忆合金引起了人们广泛0重视并进行研究，从而使形状记忆合金材料的研究与开发应用进入了一种崭新的阶段。尤其是近年来，伴随智能材料构造系统研究0迅速发展和崛起，人们又将形状记忆合金材料0应用推向了更广泛B研究领域，使得形状记忆合会逐渐成为智能材料构造系统研究中不可缺乏的一种功能性传感和驱动材料，从而在智能材料构造系统的应用研究中发挥着越来越重要的作

7、用。3形状记忆合金的基本性能形状记忆合金是指在外界温度等环境原因变化的条件下可以变化自身形状并具有可逆变化的一类金属材料。通俗地说，就是一种对形状具有记忆能力(即形状记忆效应)日勺合金金属。形状记忆合金(SMA)作为一种功能性材料，它集感知和驱动为一体，输入热量即可以对外做功，因此被作为一种重要的智能材料而应用于目前迅速发展的智能材料构造系统的研究中。形状记忆合金最明显B特性就是形状记忆效应和超弹性。此外，它还具有高阻尼、高答复力和感知与驱动等特性。这些特性与合金的热弹性马氏体相变紧密有关。形状记忆合金所展现的特性重要与四个相变的特性温度有关：马氏体相变开始温度网及结束温度赫、奥氏体相变开始温

8、度4及结束温度4,如图1所示。图1马氏体相变的特性温度图3.1形状记忆效应一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，到达屈服后，产生塑性变形，当外力撤除后就会留下永久变形。而形状记忆合金(SMA)材料，在产生塑性变形后来，若加热升温到某一确定温度后，可以恢复到受力前的形状，它是SMA最明显的J特性。形状记忆合金的形状记忆效应是在马氏体相变中发现的，一般把马氏体相变中B高温相叫做母相或奥氏体相，低温相叫做马氏体相，从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变，或叫马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变。形状记忆效应是指具有热弹性马氏体相变口勺材料能记忆它在高温奥氏体下的形状。当环境温度

9、以4时，在外应力作用下，产生了一定的残存变形，但在加热到4以上，残存应变消失，材料能恢复到加载前的形状和体积。形状记忆效应重要是由于热诱发马氏体相变而引起的。图2给出了处在马氏体状态下的形状记忆合金和一般金属材料的应力应变曲线，从曲线可以看出，一般金属所产生B塑性变形在应力消除后，留下了永久变形，而形状记忆合金在发生塑性变形后图2形状记忆合金与一般金属拉伸曲线对比形状记忆效应由于它的热弹性马氏体相变特性，只要温度下降到马氏体相变温度点(M),马氏体晶核就会生成，并且急速长到能观测到一定大小，伴随温度B深入下降，已生成B马氏体会继续长大，同步还可有新B马氏体形成并长大。温度下降到M点，马氏体长到

10、最大，再继续冷却，马氏体不再长大。反之，当试样处在所有马氏体状态后加热，温度上升到奥氏体相变开始温度点(4)后，马氏体开始收缩，加热到4温度点，还处在可以观测到的大小日勺马氏体忽然完全消失。在马氏体伴随温度的变化而发生马氏体大小和量的变化时，宏观上则体现为形状记忆合金(SMA)的形状变化。3 .2超弹性性质形状记忆合金(SMA)材料的相变超弹性是指在产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金中，当温度T24且加载应力超过弹性极限，即产生非弹性应变后，继续加载将产生应力诱发的马氏体相变，并且这种相变产生的马氏体只有在应力作用下才能稳定地存在。应力一旦解除，虽然不加热也会立即产生逆相变而回到本来B母相状态

11、，应力作用下产生0宏观变形也将伴随逆相变的发生和进行而完全消失，应力与应变的关系体现出明显的非线性特性，并且应力为零时应变也会恢复到零，这一特性被称为相变伪弹性或相变超弹效应。超弹性效应重要是由于应力诱发马氏体相变的不稳定而引起的。图3为简化的形状记忆合金(SMA)超弹性相变模型图。由图可看到理想的形状记忆合金(SMA)超弹性相变过程：B点此前的变形是由母相的弹性变形引起09,并且对应于B点，试样中将开始出现应力诱发B马氏体，即合金内稳定的奥氏体相在应力的作用下开始向马氏体相转变；从B点到C点的应变增量是由于应力诱发的马氏体相变所致，即由于在相变过程中合金的弹性模量大大减少，就仿佛发生了塑性屈

12、服同样，伴随奥氏体相不停地向马氏体转变，其应力一应变曲线出现了应力平台；而在C点，试样中的奥氏体几乎已经所有转变为马氏体单晶，因此从C点到D点0变形原则上是由马氏体相0弹性变形所引起的。卸载时，试样受到时应变首先是弹性恢复到E点，然后再通过马氏体逆相变恢复到A点附近，最终通过母相的弹性应变恢复为零。卸载时产生逆相变的重要原因是由于在高于4点温度时，只要应力在变化(减小)，马氏体就会处在完全不稳定的状态。这样,在一种加载与卸载B循环中，应力一应变曲线将形成一种完整的迟滞环，表明了形状记忆合会材料可以提供优越的耗能性能。实际上，形状记忆合金(SMA)的相变伪弹性效应与形状记忆效应在本质上是同一种现

13、象，区别仅仅在于相变伪弹性是在应力解除时产生的马氏体逆相变使材料恢复到母相状态。因此，可以产生热弹性马氏体相变0大部分合金实际上都具有形状记忆效应和相变伪弹性性能。4 .形状记忆合金超弹性的应用相变超弹性效应也是形状记忆合金材料0一种重要特性，但该效应只能在4以上的某一温度范围内出现。若材料的温度或环境温度在此范围之外，则其性能将受到一定程度的影响，因此应用该效应时对环境温度或材料的温度有一定时规定。目前，相变伪弹性效应在土木工程领域中B应用研究重要体现为：(1)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与隔震装置相结合，首先在地震过程中运用形状记忆合金的超弹性滞回能耗散地震能量，另首先当装置在地震作

14、用后产生残留变形时，运用形状记忆合金超弹性性能产生的恢复力，使隔震装置复位。(2)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金制成多种耗能器，并与构造的有限离散点连接。当构造振动时，运用形状记忆合金H超弹性滞回耗能，耗散构造振动能量，减少构造反应。(3)使用一种简朴的恒温控制器将奥氏体状态下的形状记忆合金的温度控制在某一特定0温度上并使其产生一定0预应变，这样就可以愈加精确地运用形状记忆合金的相变伪弹性性能吸取和耗散地震能量，而实现对构造地震响应的愈加有效和精确的控制。(4)将常温下为奥氏体状态B形状记忆合金与构造B离散点相联接，当构造振动时，运用形状记忆合金日勺完全超弹性性能(初始刚度大，第二刚度小)

15、，使构造的振动频率在变形稍大时迅速减小，避开共振，减少构造反应。(5)由于形状记忆合金有超弹性性能、相变滞后性能，其应力一应变曲线形成滞回环，阐明此过程吸取了大量B能量，因此可以运用形状记忆合金制成被动耗能器。形状记忆合金耗能器一般安装在构造的层间，使之感受层间变形，以到达消耗能量0目的。试验表明，在安装形状记忆合金耗能器后，近二分之一0地震可以被耗能器吸取，构造B位移得到了明显B控制。(6)在常温下将形状记忆合金丝预加载至弹性极限附近，然后随同其他建筑材料一同植入基材内。这样，当地震发生时，形状记忆合金丝就可以吸取和消耗大量B地震能量，减小或克制建筑物B地震对应，其效果也十分明显。5 .形状

16、记忆合金的本构模型5.1 Tanaka模型(1)本构模型SMA欧!一维本构方程如下-0=E(-0)+(T-T.)+-0)(1)式中、分别表达初始应力和某一状态B应力；/、一分别表达初始应力和某一状态0应变；T。、T一分别表达初始温度和某一状态0温度；0o、？一分别表达马氏体相变初始体积数和某一状态0相变体积数；双，)一材料的弹性模量E()=EA+(EM-EA)(2)Ea、E.”一分别表达奥氏体、马氏体下0弹性模量；一热系数；6一最大相变应变；C(4)一相变系数，C(7)=-琢Eg)(3)(2)相变方程在本构方程中，反应材料相变变化的内变量，是非常重要0参数，其值通过相变动力学方程确定：当发生马氏体相变