新型材料形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用.doc

新型材料形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用.doc

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摘要

形状记忆合金是一种在结构振动控制领域具有广泛应用前景的智能材料。

本文介绍形状记忆合金最显著的两个性质：

状记忆效应和超弹性，并详细的总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。

关键字：

形状记忆合金；减振；应用

ABSTRACT

Theshapememoryalloyisanintelligentmaterial，whichhasagoodprospectinthefieldofstructuralvibrationcontrol．Thisthesisintroducesthattheshapememoryalloyhastwoveryimportantcharacteristics：

shapememoryeffectandsuperelastic，andanoverviewofSMAapplicationsinstructuralvibrationcontrolaresummarized．

KEYWORDS：

Shapememoryalloy；Damping；Application

1前言

形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,简称SMAs）是一种具有多种特殊力学性能的新型功能材料,利用形状记忆合金超弹性效应（SuperelasticEffect,简称SE）设计的被动耗能器与其他的金属耗能器相比,具有耐久性和耐腐蚀性能好、使用期限长、允许大变形并且变形可回复等一系列优点,因此在结构振动控制领域具有很好的应用前景[1-4]。

形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。

例如,Graesser[5]等人提出的用于桥梁结构的

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Olander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，但是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材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支是始于1963年，当时美国海军武器实验室的W.J.Buehler博士领导的研究小组在一次偶然的情况下发现Ni-Ti合金的工作性能因温度不同，敲击时发出的声音也有明显不同的现象，这种现象说明该合金的声阻尼性能与温度有关，通过进一步研究，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射线衍射等试验的研究结果。

以后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Nitinol。

70年代初,又发现Cu-Al-Ni合金也具有良好的形状记忆效应，到1975年左右，相继开发出具有形状记忆效应的合金达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的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l980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密切相关的相变伪弹性效应，或叫超弹性、拟弹性机制展开了世界性规模的研究，研究中发现的双程形状记忆效应、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20年的时间，科学研究工作者们终于突破了Ni-Ti合金金研究中的难点，研究和建立了形状记忆合金本构关系，成为当时形状记忆合金的标志性学术成果。

从那以后，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，应用涉及的领域及其广泛,包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电、以及日常生活用品等。

从此以后，形状记忆合金引起了人们广泛的重视并进行研究，从而使形状记忆合金材料的研究与开发应用进入了一个崭新的阶段。

尤其是近年来，随着智能材料结构系统研究的迅速发展和崛起，人们又将形状记忆合金材料的应用推向了更广泛的研究领域，使得形状记忆合会逐渐成为智能材料结构系统研究中不可缺少的一种功能性传感和驱动材料，从而在智能材料结构系统的应用研究中发挥着越来越重要的作用。

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因素变化的条件下可以改变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）的合金金属。

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当前迅速发展的智能材料结构系统的研究中。

形状记忆合金最显著的特征就是形状记忆效应和超弹性。

此外，它还具有高阻尼、高回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相关。

形状记忆合金所呈现的特征主要与四个相变的特征温度有关：

马氏体相变开始温度Ms及结束温度Mf、奥氏体相变开始温度As及结束温度Af,如图1所示。

图1马氏体相变的特征温度图

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，达到屈服后，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，在产生塑性变形以后，若加热升温到某一确定温度后，能够恢复到受力前的形状，它是SMA最显著的特性。

形状记忆合金的形状记忆效应是在马氏体相变中发现的，通常把马氏体相变中的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的材料能记忆它在高温奥氏体下的形状。

当环境温度T

形状记忆效应主要是由于热诱发马氏体相变而引起的。

图2给出了处于马氏体状态下的形状记忆合金和普通金属材料的应力应变曲线，从曲线可以看出，一般金属所产生的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经过加热到Af温度之上，残余应变完全消失。

a）普通金属材料b）形状记忆合金

图2形状记忆合金与普通金属拉伸曲线对比

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（Ms），马氏体晶核就会生成，并且急速长到能观察到一定大小，随着温度的进一步下降，已生成的马氏体会继续长大，同时还可有新的马氏体形成并长大。

温度下降到Mf点，马氏体长到最大，再继续冷却，马氏体不再长大。

反之，当试样处于全部马氏体状态后加热，温度上升到奥氏体相变开始温度点（As）后，马氏体开始收缩，加热到Af温度点，还处于可以观察到的大小的马氏体突然完全消失。

在马氏体随着温度的变化而发生马氏体大小和量的变化时，宏观上则表现为形状记忆合金（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T≥Af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，即使不加热也会立即产生逆相变而回到原来的母相状态，应力作用下产生的宏观变形也将随着逆相变的发生和进行而完全消失，应力与应变的关系表现出明显的非线性特征，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。

超弹性效应主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点以前的变形是由母相的弹性变形引起的，并且对应于B点，试样中将开始出现应力诱发的马氏体，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降低，就好像发生了塑性屈服一样，随着奥氏体相不断地向马氏体转变，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全部转变为马氏体单晶，所以从C点到D点的变形原则上是由马氏体相的弹性变形所引起的。

卸载时，试样受到的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，最后通过母相的弹性应变恢复为零。

卸载时产生逆相变的主要原因是因为在高于Af点温度时，只要应力在改变（减小），马氏体就会处于完全不稳定的状态。

这样，在一个加载与卸载的循环中，应力一应变曲线将形成一个完整的迟滞环，表明了形状记忆合会材料可以提供优越的耗能性能。

图3简化的SMA超弹性本构关系

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个现象，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，能够产生热弹性马氏体相变的大部分合金事实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的一个重要特性，但该效应只能在Af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的要求。

目前，相变伪弹性效应在土木工程领域中的应用研究主要表现为：

（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，一方面在地震过程中利用形状记忆合金的超弹性滞回能耗散地震能量，另一方面当装置在地震作用后产生残留变形时，利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各种耗能器，并与结构的有限离散点连接。

当结构振动时，利用形状记忆合金的超弹性滞回耗能，耗散结构振动能量，降低结构反应。

（3）使用一个简单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的温度上并使其产生一定的预应变，这样就可以更加准确地利用形状记忆合金的相变伪弹性性能吸收和耗散地震能量，而实现对结构地震响应的更加有效和准确的控制。

（4）将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与结构的离散点相联接，当结构振动时，利用形状记忆合金的完全超弹性性能（初始刚度大，第二刚度小），使结构的振动频率在变形稍大时迅速减小，避开共振，降低结构反应。

（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，说明此过程吸收了大量的能量，因此可以利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结构的层间，使之感受层间变形，以达到消耗能量的目的。

试验表明，在安装形状记忆合金耗能器后，近一半的地震可以被耗能器吸收，结构的位移得到了明显的控制。

（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收和消耗大量的地震能量，减小或抑制建筑物的地震相应，其效果也十分显著。

5.形状记忆合金的本构模型[1]

5.1Tanaka模型

（1）本构模型

SMA的一维本构方程如下

（1）

式中、—分别表示初始应力和某一状态的应力；

、—分别表示初始应力和某一状态的应变；

、—分别表示初始温度和某一状态的温度；

、—分别表示马氏体相变初始体积数和某一状态的相变体积数；

—材料的弹性模量

（2）

、—