新型材料—形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用

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

The shape memory alloy is an intelligent material，which has a goodprospect in the field of structural vibration control．This thesis introduces that the shape memory alloy has two very important characteristics：shape memory effect and super elastic，and an overview of SMA applications in structuralvibration control are summarized． KEYWORDS：Shape memory alloy； Damping；Application

1 前言

形状记忆合金(Shape Memory Alloys,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(Superelastic Effect,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(shape memory effect，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l 980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

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，

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