近等原子比的NiTi形状记忆合金因其优异的力学性能而成为最有应用前景的智能材料之一,并广泛应用于航空航天、汽车、生物医学和日常生活中。超弹性NiTi形状记忆合金制作的各种零部件在实际服役过程中会频繁而且不可避免地承受外加循环载荷的作用。在循环变形过程中,超弹性NiTi形状记忆合金会出现功能性劣化,即超弹性劣化,这对超弹性NiTi形状记忆合金器件的服役能力和可靠性带来极大的挑战。从原子尺度讲,NiTi形状记忆合金的超弹性劣化体现在原子的重排列、晶体结构的改变、以及由原子和晶体空间位置改变带来的滑移、位错、孪生和缺陷的累积。因此,从原子尺度开展超弹性NiTi形状记忆合金循环变形行为研究有助于理解超弹性NiTi形状记忆合金的循环变形特性和纳米尺度下超弹性NiTi形状记忆合金的变形机理。近年来,国内外学者已开展了较多原子尺度下NiTi形状记忆合金变形行为的研究。然而,目前的研究主要集中在单次加载-卸载条件下,很少考虑循环相变、塑性变形及其交互作用。针对超弹性NiTi形状记忆合金在循环变形过程中涉及到的循环相变、塑性变形以及它们之间的交互作用和热-力耦合特性等核心问题,本文开展了以下分子动力学模拟研究:(1)通过对绝热环境下单晶块状NiTi形状记忆合金的压缩加/卸载过程的分子动力学模拟,研究了NiTi形状记忆合金在超弹性变形过程中的热-力耦合应力-应变响应,分析了相变过程的温度变化及压缩/卸载过程中马氏体相的形核和生长。分子动力学模拟结果表明:绝热环境下NiTi形状记忆合金在马氏体相变和逆相变过程中体现出明显的温度变化;此外,单晶块状NiTi形状记忆合金在马氏体相变过程中出现明显的局部失稳现象,并且这种失稳现象与马氏体相的形核和生长速率密切相关;当模型尺寸较大时,模拟的应力-应变曲线中没有观察到失稳现象。(2)研究了单轴循环压缩和卸载过程中等原子比单晶NiTi形状记忆合金纳米柱的超弹性行为。通过分析局部原子结构、马氏体相变及其逆相变的形核点和生长路径,讨论了纳米尺度下马氏体相变和缺陷之间的交互作用及超弹性劣化机理。研究表明,位错和孪生对NiTi形状记忆合金纳米柱中原子结构及力学响应的改变、不可逆应变的累积和超弹性劣化起着决定性作用。(3)通过建立相同尺寸但不同晶粒数量的纳米多晶模型,研究了循环拉伸-卸载过程中纳米多晶NiTi形状记忆合金的超弹性及其晶粒尺寸依赖性,重点讨论了晶界对马氏体相变应力及马氏体相的形核和生长的影响,以及循环拉伸-卸载过程中的超弹性劣化和缺陷的形成与演化。模拟结果表明:纳米多晶NiTi形状记忆合金在循环变形过程中出现超弹性劣化,并且残余应变随着循环周次的增加而不断地累积,随着晶粒尺寸的减小而变得更加明显;晶界可以提高纳米多晶NiTi形状记忆合金的马氏体相变应力并抑制发生在马氏体相变过程中的失稳。(4)研究了超弹性纳米多晶NiTi形状记忆合金的相变棘轮行为(即峰/谷值应变的循环累积现象)及其原子尺度下的变形机理。在等温条件下讨论了环境温度、施加的峰值应力和应力率对纳米多晶NiTi形状记忆合金相变棘轮行为的影响;此外,在绝热环境下通过设置不同的应力率进一步讨论了由相变潜热和非弹性耗散造成的温升对纳米多晶NiTi形状记忆合金相变棘轮行为的影响。模拟结果表明:原子尺度下纳米多晶NiTi形状记忆合金也会产生明显的相变棘轮行为,并且依赖于不同的热边界情况;在等温情况下,相变棘轮行为由晶界和晶粒内无序结构的塑性变形以及残余B19′马氏体相的循环累积引起的;但是,在绝热情况下,纳米多晶NiTi形状记忆合金的相变棘轮行为仅仅由晶界和晶粒内无序结构的塑性变形累积所致。