强旭红， 武亚鹏， 姜 旭

（同济大学 土木工程学院，上海 200092）

土木工程结构（如桥梁、建筑和桅塔等）在设计、建造、施工过程中可能存在各种缺陷，长期服役状态下因超载、腐蚀、疲劳等原因会导致结构开裂和老化，并且随时间不断累积，导致结构发生破坏。因此，需要进行加固修复来提升结构的承载能力和延长使用寿命。

利用形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）的形状记忆特性，在不使用千斤顶等复杂设备的情况下对结构进行预应力加固一直被各国学者关注和研究。使用SMA 对被加固结构施加预应力时，SMA 在整个构件长度上产生均匀的压缩，施加预应力阶段不会发生摩擦损失［1］，而且蠕变等长期作用下引起的预应力损失可通过重新激活SMA 来补偿［2］。

在土木工程领域应用比较广泛的SMA 有镍钛基形状记忆合金（NiTi-SMA）和铁基形状记忆合金（Fe-SMA）两类。Fe-SMA 的形状恢复能力（约为1%）相对NiTi-SMA 较弱，但在强度、塑性、成形加工等方面性能优越，更重要的是其生产成本远低于NiTi-SMA，因而更适合在土木工程结构加固领域的广泛应用［3-4］。Soroushian 等人最早使用Fe-SMA（Fe-28Mn-6Si-5Cr）对美国密西根州一座桥梁的剪切裂缝进行了外部加固［5］，提高了结构的抗剪承载性能。近年来瑞士的Empa 研究所对其研发的Fe-SMA（Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1（V，C））进行了力学性能、激活回复性能、结构加固应用等系列研究，证明了Fe-SMA 加固结构的可行性和高效性［6-8］。

在我国应用Fe-SMA对结构进行加固修复具有巨大潜力，但进口Fe-SMA价格极高，且相关研究和应用存在很大不足。因此，本文对国产Fe-SMA 的力学性能和激活回复特性进行了试验研究，期望降低造价的同时指导国产Fe-SMA用于土木工程结构加固的优化设计与应用。

1 Fe-SMA材料

1.1 材料特性

SMA 含有奥氏体和马氏体两个不同晶体结构的相态，在温度和应力作用下奥氏体和马氏体之间的相态转变称为马氏体相变，相变过程中材料原子间发生无扩散的固态位移转变，具有可恢复性（见图1a），不同于普通钢材受力时原子间因滑移和重新排列而发生的塑性变形（见图1b）［9］。

图1 SMA发生变形时不同的原子行为［9］Fig.1 Different atomic behavior when SMA deforms[9]

SMA在马氏体相变过程中存在四个特征温度，分别为马氏体相变开始温度Ms、马氏体相变结束温度Mf、奥氏体相变开始温度As和奥氏体相变结束温度Af，温度和相变过程的对应关系如图2所示。Fe-SMA 的形状记忆效应如图3 所示：常温下（T＜As）对材料施加荷载会使Fe-SMA 发生宏观变形，宏观变形包括弹性变形、伪弹性变形、可恢复变形和塑性变形4 部分（路径①）；移除外加荷载后弹性变形和伪弹性变形可恢复（路径②）；此时对材料进行升温，当温度超过As后将发生马氏体逆向相变，可恢复变形会随着马氏体逆相变逐渐消失，温度超过Af后残余变形只剩下塑性变形部分（路径③）；升温完成后的降温阶段若没有外力作用将不会发生新的变形（路径④）。

图2 SMA相变特征温度Fig.2 Phase transition temperature

图3 SMA的形状记忆效应Fig.3 Shape memory effect of SMA

1.2 材料生产工艺

根据目前土木工程领域对结构加固所需材料的要求，本文研发Fe-SMA 的合金元素成分和比例为Fe-15Mn-4.5Si-10Cr-5Ni-0.1C-0.03Nb。Fe-SMA 用普通纯Fe、金属Mn、金属Si、金属Cr、电解Ni、C以及Nb为原料，使用真空感应炉进行冶炼，在氩气保护下浇筑成钢锭。铸锭进行1 250℃均匀化退火15h，空冷至室温。热锻得到厚度50mm 的Fe-SMA 锭块，再进行热轧，得到厚度为5mm 的Fe-SMA 热轧板。应用Fe-SMA 对结构进行损伤修复或承载能力提升时所需材料用量较大，也需要用到厚度较薄的Fe-SMA。因此，为满足工程应用需求同时降低材料造价，对Fe-SMA热轧板进行冷轧（最大下压量40%），得到厚度1.8mm 的Fe-SMA 冷轧板。

Fe-SMA 热轧板的金相组织如图4a 所示，奥氏体晶粒沿轧制方向被压扁拉长，系统处于不稳定的高能状态。因此，Fe-SMA 热轧板和冷轧板在轧制完成后需要进行800℃时效热处理（800℃时效热处理：将合金在800℃温度下进行持续1h的高温处理，之后水冷至室温），经过800℃时效处理后奥氏体晶粒发生了再结晶，系统由高能状态转变为较稳定的低能状态（见图4b）。

图4 Fe-SMA金相组织Fig.4 Metallographic structure of Fe-SMA

2 力学性能试验

2.1 材性试件

为得到Fe-SMA的力学性能参数（弹性模量、屈服应力、抗拉强度、延伸率等），根据《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》（GB/T228.1-2010）［10］设计了Fe-SMA 材性试件（如图5 所示）进行静力拉伸试验。根据轧制工艺不同，分别设计了热轧板和冷轧板两组，热轧板编号为RZ-1—RZ-6，Fe-SMA 冷轧板编号为LZ-1—LZ-6。板材拉伸试件按照《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》（GB/T 2975-2018）［11］进行全截面取样。

图5 Fe-SMA材性试件尺寸Fig.5 Geometry of test specimens

2.2 试验方法

试验加载在同济大学土木工程防灾国家重点实验室电子拉伸试验机上进行，按照《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》［10］，采用两阶段加载控制。第1阶段采用应变速率3.0×10-4s-1控制加载；应变达到0.05 后，采用位移速率2.0mm·min-1加载至试件断裂。第1 阶段加载主要用于测量Fe-SMA 的初始弹性模量和名义屈服强度，第2 阶段主要用于测量Fe-SMA材料的抗拉极限强度和延伸率。

2.3 试验结果

2.3.1 Fe-SMA热轧板

Fe-SMA 热轧板静力拉伸的工程应力-应变曲线如图6 所示，力学性能参数列于表1。Fe-SMA 为没有明显的屈服平台的弹塑性材料，因此用其规定塑性延伸强度Rp0.01和Rp0.2（塑性延伸率为0.01%和0.2%对应的应力）来表征材料的屈服强度，进而分析材料的力学性能。

表1 Fe-SMA热轧板的材性参数Tab.1 Mechanical properties of hot-rolled Fe-SMA plate

图6 Fe-SMA热轧板工程应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of hot-rolled Fe-SMA plate

取应力-应变曲线初始阶段的切线模量为弹性模量，试验得到Fe-SMA 热轧板的弹性模量在170GPa～200GPa之间，平均值为182GPa，与普通钢材较为接近。Fe-SMA热轧板的Rp0.01和Rp0.2均值分别为565MPa 和734MPa，抗拉强度均值高达1 136MPa，总延伸率均值为45.0%，表现出了很强的承载能力和优异的延展性。

2.3.2 Fe-SMA冷轧板

Fe-SMA冷轧板的工程应力-应变曲线如图7所示，力学性能参数列于表2。冷轧板弹性模量均值为166GPa，与热轧板相差不大；抗拉强度和总延伸率分别为894MPa 和35.5%，与热轧板相比分别下降了21.31%和21.12%；Rp0.01和Rp0.2均值分别为350MPa和490MPa，相比热轧板也有所降低；但是冷轧板的名义屈服强度和延展性仍然高于普通钢材。

表2 Fe-SMA冷轧板的材性参数Tab.2 Mechanical properties of cold-rolled Fe-SMA plate

图7 Fe-SMA冷轧板的工程应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of cold-rolled Fe-SMA plate

2.4 对比分析

将国外学者的Fe-SMA 力学性能试验结果汇总于表3，并与本文研究的Fe-SMA 进行对比。可以看出，不同元素组分Fe-SMA 的弹性模量差别较大，分布在120GPa～200GPa 范围。抗拉强度均超过800MPa，名义屈服强度在400MPa～750MPa 之间，具有良好的承载能力。总体上，根据弹性模量、屈服强度、抗拉强度和总延伸率等基本材性指标来看，本文所研究的Fe-SMA 可以比肩甚至超过国际水准。

表3 Fe-SMA力学性能对比Tab.3 Comparison on mechanical properties of Fe-SMA

3 激活回复性能

根据前文对Fe-SMA 形状记忆效应的介绍，材料被拉伸后卸载将产生残余变形，拉伸过程中由马氏体相变引发的可恢复变形经升温加热可以得到恢复（见图3，路径③）。如果在加热激活过程中对Fe-SMA 构件两端施加约束，限制其自由变形，则可在Fe-SMA 构件中产生回复应力（见图8），此即为Fe-SMA的激活回复性能。

图8 Fe-SMA激活回复过程Fig.8 Activate process of Fe-SMA

之后，Fe-SMA 将以激活后的回复应力为基础，在服役应力状态下继续工作（见图8b 中虚线）。

以梁式结构加固为例，激活Fe-SMA 对结构进行预应力加固的过程如图9所示。

图9 Fe-SMA加固过程Fig.9 Reinforcement process of Fe-SMA

将预拉伸后的Fe-SMA构件连接到被加固结构上，激活Fe-SMA使其发生马氏体逆相变，从而引入预应力，加固后的放大效果为使梁出现反拱效应，提高结构在正常使用阶段的刚度和极限承载能力。应用Fe-SMA 修复构件的局部裂纹时，可以增加开裂部位的刚度以减小应力响应，同时通过激活Fe-SMA引入预应力来减小平均应力。

本节对Fe-SMA 的激活回复特性进行研究，明确其在不同预拉伸应变与激活温度组合作用下所能达到的回复应力水平。

3.1 试件准备

设计图10 所示的Fe-SMA 试件进行激活回复性能测试。由于试件需要放到高温炉中进行升温加热，高温炉高度为220mm，因此试件总长设计为400mm，放置于高温炉内后剩余夹持端长度为90mm。根据轧制方式不同，对Fe-SMA热轧板冷轧板分别进行测试。

图10 激活测试试件尺寸（单位：mm）Fig.10 Activation test specimens size (Unit: mm)

3.2 加载方案

试验装置如图11所示，采用高温拉伸试验机对Fe-SMA 试件进行加载，其最大加载力为300kN。加热炉采用MTS653.04型高温炉，最高加热温度为1 400℃。加热炉分上、中、下3 段加热，高温炉配备一个热电偶用于调控炉温。同时在Fe-SMA试件测试段部位布置3 个外加热电偶，用以测量试件表面的真实温度。试件的变形采用高温陶瓷引伸计测量，精度为0.001mm。

图11 激活回复试验设备Fig.11 Activation test device

按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》［10］，预拉伸阶段采用应变速率3.0×10-4s-1控制加载，达到指定预拉伸应变后卸载至应力为0。为了防止试件在加热激活过程中出现受压屈曲，对试件施加50MPa 的初始拉伸应力，之后保持应变恒定，对Fe-SMA 试件进行升温激活。对于Fe-SMA冷轧板，由于其厚度较薄，拉伸至6%预应变后卸载至应力为100MPa，继而保持应变恒定进行升温激活。

3.3 试验结果

3.3.1 Fe-SMA热轧板

加热激活设置6 个温度梯度，分别为150℃、200℃、250℃、300℃、350℃和400℃。预拉应变设置5个梯度，分别为2%、3%、4%、6%、8%。本文采取“预拉伸卸载—梯度升温—回复应力”和“预拉伸卸载—单次升温—回复应力”两种加热激活模式。梯度升温为保持应变恒定下进行20℃（室温）→150℃→20℃→200℃→20℃→250℃→20℃→300℃→20℃→350℃→20℃→400℃→20℃的梯度升温过程，单次升温为保持应变恒定下进行150℃、200℃、250℃、300℃、350℃和400℃单次加热激活。

Fe-SMA热轧板的激活回复试验结果列于表4。可以看出，在不同的预拉伸应变下梯度升温和单次升温两种加热模式下所得回复应力结果十分接近，实际工程应用中疲劳、蠕变等长期作用引起的预应力损失可以通过重新激活SMA进行补偿。

表4 Fe-SMA热轧板激活回复应力表Tab.4 Activation-recovery stress of hot-rolled Fe-SMA plate

不同预拉伸应变与激活温度作用下最大回复应力组合列于表5。根据测试结果，2%预拉伸应变与150℃激活条件下回复应力为165MPa，4%预拉伸应变与200℃条件下回复应力为213MPa，4%预拉伸应变与300℃条件下回复应力可以达到314MPa。本文所研发Fe-SMA的回复应力可以达到普通钢结构（如Q235 和Q355 等）的工作应力水平，满足目前工程应用中针对钢板裂纹修复和梁式结构承载能力提升的需求。

表5 回复应力最佳组合Tab.5 The optimized combination of recovery stress

不同激活温度下回复应力水平的对比如图12所示。随着温度的升高，各预拉伸应变下回复应力的升高趋势保持一致。在150℃～300℃升温过程中，回复应力随温度升高基本保持线性增长趋势。由300℃向400℃升温的过程中回复应力继续增加，但是增长趋势放缓。

图12 不同激活温度对比Fig.12 Comparison of different activation temperatures

不同预拉伸应变下回复应力水平的对比如图13所示。在150℃～400℃的升温过程中，等温线的间距变化趋也表明了图12 所示的回复应力升高趋势。总体上，预拉伸应变在2%～4%范围内时，加热激发温度在150℃～300℃范围就可以得到更好的激活回复效果（效果好于300℃以上的激发温度）；而预拉伸应变为6%和8%时，需要较高的激活温度（350℃、400℃）才能得到更好的激活回复效果。因此，Fe-SMA 热轧板在工程应用时预拉伸应变只需控制在2%～4%范围内，更高的预拉伸应变需要的激活温度过高，实现难度高的同时也超过了结构的安全允许温度，可能造成结构二次损伤。

3.3.2 Fe-SMA冷轧板

图13 不同预拉伸应变对比Fig.13 Comparisoof different pre-tension strains

设计了4 个Fe-SMA 冷轧板的加热激活试件，编号为JH-1—JH-4。冷轧激活试件的预拉伸应变统一设定为6%，试件JH-1和JH-2进行20℃（室温）→150℃→20℃→200℃→20℃→250℃→20℃→300℃→20℃→400℃→20℃的梯度升温激活，试件JH-3和JH-4进行200℃单次升温激活。

在6%预拉伸应变下，冷轧板梯度升温模式所得回复应力结果列于表6，Fe-SMA热轧板和冷轧板激活回复应力对比如图14所示。

表6 Fe-SMA冷轧板激活回复应力Tab.6 Activation-recovery stress of cold-rolled Fe-SMA plate

图14 热轧板和冷轧板回复应力对比Fig.14 Recovery stress comparison of hot-rolled and cold-rolled plate

从增长趋势上看，Fe-SMA 冷轧板在150℃到300℃梯度升温过程中回复应力增长速度相对热轧板较慢，而激活温度由300℃升高到400℃的过程中回复应力增加十分微小，没有表现出类似于热轧板的可循环性能。试件JH-1、JH-2在6%预拉伸应变与200℃梯度激活条件下所得回复应力分别为240MPa 和204MPa，试件JH-3、JH-4 在6%预拉伸应变与200℃单次激活条件下所得的回复应力分别为270MPa和300MPa，单次升温模式的回复应力大于梯度升温模式。

出现上述差异的原因是冷轧板在热轧板的基础上经过冷轧加工工艺得到，在冷轧过程中Fe-SMA的晶体结构会受到影响，虽然经过800℃时效处理后又由马氏体相转变回奥氏体相，但是Fe-SMA 材料的形状记忆性能变差，因而反复升温激活过程累积效应降低。

如图15 所示，以试件JH4 为例来分析Fe-SMA加热激活过程中的应变-应力和温度-应力的关系。

图15 试件JH-4激活回复曲线Fig.15 Activation-recovery curves of specimen JH-4

从加载曲线可以看出，试件没有发生受压屈曲，但是激活过程中温度-应力曲线的变化规律与参考文献［13］（见图8c）差别较大。这是由于试件的宽度较窄，同时本身厚度较薄，所以在升温激活过程中马氏体逆相变引发的材料收缩效应一直低于材料在受热状态下的膨胀作用。因而应力在激活升温阶段一直减小，直到200℃时应力保持在42MPa。之后的降温阶段，在温度低于100℃后，回复应力才随温度降低快速增长。

3.4 对比分析

将国外学者对Fe-SMA的研究结果汇总于表7，并与本文结果进行对比。可以看出，目前Fe-SMA所具备的激活回复能力差别较大，最高可以在2%预拉伸应变与260℃激活条件下得到406MPa 回复应力，较差的在6%预拉伸应变与350℃激活条件下得到160MPa 回复应力。本文所研发Fe-SMA 的激活回复应力相对低于文献［16］和文献［17］，但是也表现出了足够好的激活回复能力，在2%预拉伸应变与200℃条件下，可以达到214MPa 的激活回复应力，可以满足工程加固应用需求。

表7 Fe-SMA激活回复性能对比Tab.7 Activation-recovery property comparison of Fe-SMA

4 结论

本文研发Fe-SMA 的元素成分为Fe-15Mn-4.5Si-10Cr-5Ni-0.1C-0.03Nb，对Fe-SMA锭块进行热轧得到厚度5mm的Fe-SMA热轧板，为满足土木工程加固应用需求同时降低加工成本，对Fe-SMA热轧板进一步冷轧得到厚度1.8mm 的Fe-SMA 冷轧板。本文对Fe-SMA热轧板和冷轧板的力学性能分别进行试验研究，得到了两种不同处理工艺下材料的弹性模量、名义屈服强度、抗拉强度、总延伸率等关键力学性能指标，通过激活试验得到了不同“预拉伸应变与激活温度”条件下的回复应力对应表；并在此基础上将本文所研发Fe-SMA的力学性能参数和回复应力水平与国外学者对Fe-SMA的研究成果进行了对比，主要结论如下：

（1）Fe-SMA 热轧板的弹性模量在170GPa～200GPa 范围，抗拉强度均值高达1 136MPa，总延伸率为45.0%，表现出较高的强度和优异的延展性。冷轧板弹性模量与热轧板相差不大，抗拉强度和总延伸率均值分别为894MPa 和35.5%，与热轧板相比分别降低了21.31%和21.12%。

（2）Fe-SMA 在2%预拉伸应变与150℃激活条件下的回复应力为165MPa，在4%预拉伸应变与200℃激活条件下的回复应力为213MPa，4%预拉伸应变与300℃激活条件下的回复应力可以达到314MPa，能够满足目前工程结构加固应用中针对钢板裂纹修复和梁式结构承载能力提升的需求。

（3）Fe-SMA 冷轧板是在热轧板的基础上经过进一步冷轧制造的，在轧制过程中组织结构受到影响，因而冷轧板的形状记忆性能变差，反复升温激活过程中累积效应降低，梯度升温模式下回复应力增长不明显。因此，对于需要多次激活补偿预应力损失的结构加固应用，适合采用热轧Fe-SMA板。

（4）本文所研发Fe-SMA 的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和总延伸率等基本力学性能指标可以达到国际水平，同时表现出良好的激活回复能力，满足目前工程加固应用需求。而且本文的国产Fe-SMA相比进口造价更低，更加适用于在土木工程结构加固领域的推广与应用。

作者贡献声明：

强旭红：课题负责人，提出了研究方案，设计了论文的框架，撰写论文终稿；

武亚鹏：试验实施，试验数据处理，试验结果分析和解释，撰写论文初稿；

姜 旭：制定研究方案，指导试验结果的分析和解释，提出论文修改意见和建议。