钱 辉，李静斌，李宏男，陈 淮

形状记忆合金［1－2］(Shape Memory Alloy，SMA)是一种新兴智能材料，因其形状记忆效应、超弹性、高阻尼特性、耐疲劳、稳定性和耐腐蚀性，成为土木工程消能减震器件的理想材料。SMA可恢复应变高达6%～8%，屈服应力在400～500 MPa左右，与钢材相当;但其极限强度超过1 000 Mpa，极限变形高达20%，远高于一般钢材［3－5］。

国内外不少学者［6－16］在SMA被动阻尼器的开发与应用方面进行了一些研究。Dolce等［6］开发了兼具自复位和耗能功能的SMA支撑和隔震器。Zhang等［7］采用超弹性镍钛铰线设计了一种可重复使用的迟滞阻尼器(Reusable Hysteretic Damper)。李惠等［8］设计了拉伸型和剪刀型阻尼器;李宏男等［9－11］研制了筒式SMA阻尼器、复合摩擦SMA阻尼器和多维超弹性SMA阻尼器;李忠献等［12］设计了SMA复合橡胶隔震支座;Zuo 等［13］、倪立峰等［14］、薛素铎等［15］以及彭刚等［16］也提出了不同形式的SMA阻尼器。

为了研制和开发适用于工程结构的具有自复位功能的SMA阻尼器，本文对三种不同直径超弹性SMA丝材进行了力学性能拉伸试验，深入分析了循环次数、应变幅值、加载速率、环境温度等对SMA性能参数的影响，探讨了超弹性SMA研制耗能装置的可行性，从而为SMA阻尼器的设计提供了依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

本文试验中，选用的NiTi SMA试件有三种直径:0.5 mm，1.2 mm 和 2.0 mm，长度为 160 mm，标距为 80 mm，合金成分为Ni－49.1at%Ti。通过示差扫描热量计(Differential Scanning Calorimeter，DSC)测得材料相变温度 Mf，Ms，As，Af分别为 －75℃，－55℃，－23℃和10℃。试验开始前，将试件放置在开水(100℃)中加热1分钟，取出后冷却至室温。由于开水温度大于Af，且Ms小于室温(20℃左右)，因此，室温下该NiTi丝初始状态为奥氏体状态。

1.2 试验系统

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室—抗震研究所的电子万能试验机上进行，试验装置如图1所示。其中力传感器量程10 kN，引伸计标距50 mm。试验过程由计算机控制，采用等应变率加卸载，力和变形数据由计算机自动采集，应力和应变则分别根据试验试件的直径和标距换算得到。此外，加卸载过程中SMA丝试件的表面温度的变化值采用光纤光栅温度传感器进行测量。试验及数据采集系统如图2所示。

1.3 试验方案

试验中通过试验机对试件进行单向、等应变速率、三角图式循环拉伸加载。试验主要研究了四种工况下SMA丝的力学性能:

(1)常温下等幅值循环加载试验，考察循环加载次数对三种SMA丝力学特性的影响。应变速率为0.001 2/s;应变幅值为6%;连续加卸载30圈。

(2)常温下等速率变应变幅值循环加载试验，考察应变幅值对三种SMA丝力学特性的影响。应变幅值分别为1%、2%、…、8%，应变速率为0.001 2/s。

(3)常温下等幅值动力加卸载试验，考察不同加载速率对三种SMA丝力学特性的影响。分别考虑准静力循环加载(应变速率0.000 1/s)和动力循环加载(应变率0.000 5/s－0.005/s)。加载应变幅值为6%。

(4)不同环境温度下等速等幅值加载试验，考察不同环境温度对三种SMA丝力学特性的影响。考虑三个自然环境温度，即 13.5℃，20℃，25.5℃。

图1 试验设备Fig.1 Experimental setup

图2 试验及数据采集系统Fig.2 Experimental and data acquisition systems

1.4 参数选取

图3 为超弹性SMA应力－应变关系曲线示意图。其中，σFs、σFf分别是马氏体正相变开始应力和结束应力;σIs、σIf分别是马氏体逆相变开始应力和结束应力。为了比较各种工况下SMA丝的力学性能，文中采用以下四个参数:

(1)每循环耗散能量WD，即为一次加卸载滞回曲线包围的面积，表征SMA每循环的耗能能力;

(2)割线刚度，表达式为:

(3)等效阻尼比，即SMA丝在单向拉伸然后卸载条件下的阻尼比，表征SMA的阻尼能力，表达式:

式中:WE为总应变能;εδ为应变幅值;

(4)残余应变εr，表征SMA的自复位能力。

图3 超弹性SMA应力－应变曲线示意图Fig.3 Schematic stress-strain curve of super-elastic SMA

2 试验结果和分析

2.1 循环次数

图4(a)～(c)给出了连续循环加载30圈条件下三种直径SMA丝的应力－应变曲线比较。试验中，应变幅值为 6%，加载速率为 0.001 2/s，环境温度为13.5℃。从图中可以看出，SMA应力－应变曲线随着循环加载次数的增加，逐渐下移，包围的面积逐渐减小，但约20圈后趋于稳定。同时，图4(d)～(f)给出了前20圈循环加卸载过程中，三种SMA试件表面温度变化时程曲线。图中显示出，在加载过程中，SMA丝试件温度升高，卸载过程中温度降低，这是由马氏体相变过程中SMA的潜热(latent heat)引起的。加载过程中，发生马氏体正相变，为放热过程，温度升高;而卸载过程中，发生马氏体逆相变，为吸热过程，温度降低。第一次循环加载结束时温度最高，然后卸载过程中温度降低，随后在不断的加卸载过程中，温度变化趋于稳定。另外，直径1.2 mm SMA温度变化约为8℃，0.5 mm SMA仅为2℃，而2.0 mm SMA温度变化则高达12℃左右。

图4 不同循环次数下SMA丝应力－应变曲线及温度时程比较Fig.4 Comparison of stress-strain curves and temperature history of SMA wires for increasing cyclic number

图5 (a)～(e)为三种直径SMA丝力学特征参数随加载循环次数的增加变化曲线。整体来看，正相变开始应力σFs、逆相变开始应力 σIs、每循环耗散能量WD、割线刚度Ks、等效阻尼比ξeq和残余应变εr都随着循环加载次数的增加而逐渐趋于稳定。随着循环次数的增加，三种材料的σFs都逐渐减小，这是由于加卸载过程中材料内部位错密度的增加引起了εr的出现，而εr的累计引起内应力的增加。内应力就等于σFs的变化量，它促进了马氏体的形成，因此σFs随着循环次数的增加而减小。循环次数小于5次时，σFs急剧下降，直径0.5 mm、1.2 mm 和2.0 mm 的 σFs分别降至首次循环的78.5%、64.2%和45.6%;当循环次数大于20次后，趋于稳定。三种材料σFs马氏体逆相变开始应力σIs随循环次数变化相对较小，直径0.5 mm和2.0 mm SMA丝的σIs都略微减小，而1.2 mm SMA的σIs略微增大。WD随循环次数增加而减小，稳定后(约20次)，三种SMA丝分别降至首次循环的83.8%、24.5%和27.7%。直径0.5 mm SMA丝的Ks随循环次数的增加变化不大;其他两种材料的Ks经过一定循环后趋于稳定。ξeq随循环次数增加而减小，稳定后(约20次)，三种SMA丝的 ξeq分别从首次循环的10.1%、9.6%和6.7%降低至8.8%、3.2%和 2.1%。εr随着循环次数增加而增加，一定次数后趋于稳定。直径0.5 mm SMA丝的εr在第四个循环后基本稳定在0.1%;而另两种材料随循环次数增加而急剧增加，20个循环后趋于稳定，但εr高达1.25%以上。

2.2 应变幅值

图6(a)～(c)为不同应变幅值下三种SMA丝应力－应变曲线。循环加载幅值分别为1% －2% －3% －4% －5% －6% －7% －8%，加载速率为0.001 2/s，环境温度为13.5℃。试验前，SMA丝先在应变幅值为6%、加载速率为0.001 2/s条件下循环加载训练30次。

图6(d)～(f)给出了变幅值(1% ～7%)循环加载过程中SMA丝试件表面温度变化时程曲线。从图中可以看出，随应变幅值的增加，SMA丝温度变化幅值增大;等应变幅值下，直径2.0 mm SMA丝温度变化最大，7%时为8.5℃;直径1.2 mm SMA 丝次之，7%时为3.9 ℃;直径0.5 mm SMA丝温度变化最小，7%时仅为1.1℃。

图5 不同循环次数下SMA丝力学特性比较Fig.5 Comparison of mechanical behavior of SMA wires for increasing cyclic number

图6 不同应变幅值下SMA丝应力－应变曲线比较Fig.6 Comparison of stress-strain curves for SMA wires for increasing cyclic strain amplitudes

图7 不同应变幅值下SMA丝力学特性比较Fig.7 Comparison of mechanical behavior of SMA wires for increasing cyclic strain amplitudes

图7为三种材料在不同应变幅值下力学特性比较。从图中可以看出，随着应变幅值的增加，每循环耗散能量WD近似线性增加。等幅值下，直径1.2 mm和2.0 mm SMA丝耗散能量相近，而直径0.5 mm SMA丝耗能高于前两者。割线刚度Ks随应变幅值的增加急剧减小，应变为6%时，降至最低;应变幅值继续增大，Ks又逐渐增大，这是由于马氏体正相变完成以后，材料发生马氏体硬化而使材料弹性模量增大。等效阻尼比ξeq随幅值增加而增加，但5%左右达到最大，而后继续增大幅值，ξeq略微降低。等应变幅值下，直径1.2 mm 和2.0 mm SMA丝的 ξeq相近，最大分别为3.86% 和4.1%，而直径0.5 mm SMA 丝的 ξeq高于前两者，最大为9.54%。

2.3 加载速率

图8 为直径0.5 mm、1.2 mm 和2.0 mm SMA 丝在不同加载速率下的应力－应变曲线。环境温度为20℃、应变幅值为6%。试验前，SMA丝均在加载速率为0.001 2/s、应变幅值6%的条件下循环加载训练30次。从图中可以看出，随着加载速率的增大，SMA丝的滞回曲线逐渐上移;同时，非弹性阶段刚度增大而使曲线硬化。

图9 为直径0.5 mm、1.2 mm 和2.0 mm SMA 丝在不同加载速率条件下SMA丝表面温度的变化时程曲线。从图中可以看出，随着加载速率的增大，SMA丝温度变化幅值增大。加载速率较低时，相变过程中SMA丝和空气间进行热交换，温度变化不大;而加载速率较高时，SMA丝来不及和空气进行热交换，导致温度变化较大;同时，由于热量的累积而使材料的平均温度升高，致使SMA应力－应变曲线上移。

图8 NiTi丝在不同加载速率下的应力－应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of NiTi wire under different loading rate

图9 不同加载速率下NiTi丝表面温度变化时程曲线Fig.9 Temperature change-time history of NiTi wire under different loading rate

三种材料相比而言，同等加载速率下，直径越大，马氏体相变过程中潜热量越大，试件的温度变化幅值也就越大。以加载速率0.001/s为例，直径1.2 mm SMA 温度升高6.67℃，直径0.5 mm SMA 仅为1.1℃，而直径2.0 mm SMA丝高达9.36℃。

图10给出了三种SMA丝每循环耗散能量WD、割线刚度Ks、等效阻尼比ξeq随加载速率的变化曲线。图中显示出，三种材料的Ks均随着加载速率的增大，先快速增大，而后趋于平缓。直径0.5 mm和1.2 mm SMA丝的WD和ξeq随着加载速率的增大，先快速增大，而后趋于平缓。而直径2.0 mm SMA丝的 WD和 ξeq随着加载速率的增大，先增大，随后减小，而后趋于平缓。

2.4 环境温度

图11(a)～(c)给出了三种直径SMA丝在不同环境温度下的力学性能。加载速率为0.001 2/s，应变幅值为6%，环境温度分别为13.5℃，20℃和25℃。试验中的SMA丝首先在应变速率0.001 2/s，应变幅值6%条件下循环加载训练30次。从图中可以看出，温度升高时，SMA丝的应力－应变曲线向上平移，而滞回曲线的形状基本不变。

从图11(d)～(f)的分析结果来看，随着温度的升高，每循环耗散的能量WD基本不变，割线刚度Ks近似线性增大，而等效阻尼比ξeq近似线性降低。温度从13.5℃升高至 25℃，三种材料的 ξeq分别从 9%、3.8%、3.5%降至 6.9%、3%、2.7%。

图10 不同加载速率下SMA丝力学特性比较Fig.10 Comparison of mechanical behavior of SMA wires for different loading rates

图11 不同温度下SMA丝力学特性比较Fig.11 Comparison of mechanical behavior of SMA wires under different ambient temperatures

3 结论

本文对直径0.5 mm，1.2 mm 和2.0 mm的三种Ni-Ti超弹性SMA丝进行了拉伸试验，系统研究了循环次数、应变幅值、加载速率和环境温度对其力学性能的影响。主要结论有:

(1)随着循环加载次数的增加，三种材料的马氏体相变开始应力降低、每循环耗散能量和割线刚度逐渐减小，而残余应变累计增大，但约20圈后趋于稳定。

(2)在同等条件下，直径0.5 mm SMA丝阻尼耗能特性和自复位特性优于另两种材料，而直径1.2 mm和2.0 mm SMA丝的力学性能基本接近。

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