镍钛形状记忆合金循环变形行为的晶体塑性有限元模拟

陆辰钊，周 廷，于 超，康国政

（西南交通大学力学与工程学院，成都 610031）

引言

镍钛形状记忆合金（NiTi SMA）由于其固-固无扩散热弹性马氏体相变而表现出超弹性、形状记忆效应和高阻尼特性，在血管内支架、眼镜架、阻尼器、微机电系统中的执行器等领域得到了广泛应用［1-2］。由NiTi SMA制成的结构部件和器件经常承受着循环热-机械载荷作用［3］。因此，需要对NiTi SMA的热-机械循环变形行为进行研究，以合理准确地评估此类部件、器件的可靠性。

近年来，诸多学者对超弹性NiTi SMA的循环变形行为进行了相关实验和理论研究。实验方面，Miyazaki等［4］的研究结果表明，NiTi SMA的超弹性在循环变形过程中会发生退化，主要体现在相变临界应力和耗散能降低、残余应变累积、相变硬化模量增加这几个方面，且这些现象在一定循环周次后趋于饱和。进一步的实验研究［5-11］揭示了这种超弹性退化与加载峰值、加载速率、加载路径和环境温度之间的相关性。此外，为了明确循环变形行为的微观机理，Delville等［12］、Benafan等［13-14］、Hamilton等［15］、Norfleet等［16］、Hua等［17］、Xiao等［18］、Pfetzing-Micklich等［19］、Brinson等［20］通过透射电镜等微观观测手段，解释了残余应变累积的物理机制，即奥氏体相中的位错滑移、残余马氏体相的循环累积以及位错-相变交互作用。

理论模型方面，根据空间尺度的不同，描述形状记忆合金热-力变形行为的本构模型大致可以分为宏观唯象模型和晶体塑性模型两大类［21］。宏观唯象模型通过引入宏观内变量及相关演化方程来描述实验研究揭示的循环变形行为演化特征，此类模型不关注材料微结构演化，具有计算量小，适用于工程应用的优点。……