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相变对材料和结构的力学响应可造成重大影响,是固体力学和材料科学的基本问题和重点研究课题。本文中,我们对TiNi形状记忆合金悬臂梁结构的动态响应进行了较为系统的实验研究,发现了一些新的现象和规律。
使用SHPB装置,对常温下处于SME状态的TiNi合金制成的圆杆进行了动态轴向冲击实验。通过实验发现:与著名的Hopkinson实验相似,当弹速较低时,试件的尾部发生相变;而当弹速提高到一定程度时,试件的头部先发生相变。由于相变材料的非线性,相变波波速并不是恒定不变的,随着应力的提高,相变波波速也会相应提高。
利用改装的霍普金森压杆装置对TiNi形状记忆合金圆截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究,并与45#钢悬臂梁的实验结果进行了对比。结果表明:在同样冲击条件下,TiNi悬臂梁的吸能效率优于钢悬臂梁;发现冲击过程中,TiNi试件根部内侧可能形成局部“相变铰”,使阻力曲线的斜率发生变化;卸载后“相变铰”消失,TiNi悬臂粱试件基本回复原状,钢试件则留下显著的残余变形。TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。
使用岛津材料实验机,分别对常温下处于SME及PE状态的TiNi相变悬臂梁进行了准静态横向加载实验。实验发现:PE试件最后仍有残余变形,且加热不消除,表明已有塑性变形。SME试件产生了残余变形,加热残余变形消失。
运用ABAQUS工程软件模拟悬臂梁的横向冲击实验,其中伪弹性试件的模拟结果与实验结果能较好符合。