郝 林，陈子雄
(1.上海飞机设计研究院，上海 201210) (2.南京航空航天大学航空学院，江苏 南京 210016)
形状记忆合金(shape memory alloys, SMAs)是一种集传感和驱动于一身的功能材料，以其具有特殊的形状记忆效应(shape memory effect，SME)、超弹性效应(pseudo-elastic，PE)、高阻尼等特性受到了青睐并得到广泛应用。这些特性主要归功于形状记忆合金受外界刺激(例如温度场、磁场等)而产生的无扩散可逆相变过程[1]。近等原子比NiTi合金具有优异的热诱导形状记忆效应，是目前已知的形状记忆合金中性能最好、应用最为广泛的一种[2]。经过特殊热力循环训练的NiTi合金能同时记忆两种不同的形状，一种为低温形状，另一种为高温形状，即其具有双向形状记忆效应(two-way shape memory effect，TWSME)[3]。截至目前的研究结果显示，具有双向形状记忆效应的NiTi合金最大有4.1%的双向形状记忆应变量[4]，因此非常适合用于自适应结构中[5]。
近几十年来，SMAs在智能结构中的应用研究也有了长足的进展。20世纪末，NASA(National Aeronautics and Space Administration)以F-15E飞机进气道为平台，利用SMA驱动器实现了对进气道涵道形状的主动控制，并在试验中达到了理想效果[6]；
波音公司利用SMA条带改变发动机尾喷口面积，达到了降低发动机噪声、节省燃油等目的[7]；
王明义[8]对SMA用于提高结构刚度进行了研究，并取得了理想的控制效果。这些研究工作仅将SMAs作为驱动器用于结构中，且主要应用于一维或二维结构。赵澎涛等[9]针对基于三维SMA的自适应变体结构展开研究，通过数值分析表明具有TWSME的三维SMA结构在热驱动下能产生可观的宏观变形，同时还探究了SMA鼓包双向记忆变形与初始预应变之间的联系。
目前对SMA的TWSME训练方法的研究主要针对的是一维或二维结构，如丝、弹簧、梁等。三维SMA结构在实际应用时，其边界的约束作用将对SMA结构变形产生影响，传统训练方法未能考虑这一问题。
本文以近等原子比SMA圆形薄板为研究对象，结合传统训练方法，提出了一种适用于约束边界条件下的三维结构训练方法并实现对双向形状记忆效应的训练，通过实验方法研究了不同外载荷对双向形状记忆效应的影响。
1.1 形状记忆合金板制备及热处理
实验所用材料为Ni50.1Ti49.9近等原子比镍钛合金板材，板厚为0.5 mm。为了进行SMA训练试验，将形状记忆合金板材切割成直径为120 mm的圆板，如图1所示，在板周边加工6个圆孔以便施加固定边界约束。除去约束边界，所设计的形状记忆合金板变形区直径为80 mm。
图1 形状记忆合金圆板
为了消除形状记忆合金板的加工硬化，改善其力学性能，需要对板进行一些热处理。基于以往的研究结果[10]，本文将形状记忆合金板压平并置于450 ℃下保温30 min进行热处理。为测量经热处理后的相变温度，从SMA板上取样5 mg后进行DSC(differential scanning calorimeter)测试，加热/冷却速率为30 ℃/min，测试结果如图2所示。利用切线法可得到马氏体正相变起始温度(Ms)、马氏体正相变结束温度(Mf)、马氏体逆相变起始温度(As)、马氏体逆相变结束温度(Af)，分别为44.1 ℃、-5.8 ℃、59.2 ℃和84.2 ℃。
图2 DSC测试结果
1.2 形状记忆合金板双向记忆效应训练方法
与形状记忆效应以及超弹性效应不同，要赋予记忆合金对低温形状的记忆，使其具有双向形状记忆效应，还需要使合金经过特定的热机械循环训练过程，即让记忆合金在温度与应力交替或复合作用下经历多次可逆相变[11]。
获得双向形状记忆效应的训练方法有很多，主要是在记忆合金中引入位错，利用特殊排列的位错形成应力场使冷却过程中马氏体变体在某些方向上择优取向，从而诱发双向形状记忆效应[12]。
Blonk等[13]对前人工作进行了总结并概括为表1所列的6类训练方法，通过实验对比认为经Hebda和White提出的方法训练得到的记忆合金表现出最大的双向形状记忆变形(约4.0%)；
Liu等[14]提出了恒应力下相变循环训练、形状记忆与超弹性复合训练、形状记忆训练以及加载约束循环训练4种方法；
Luo等[15]详细比较研究了文献[14]提出的方法，认为形状记忆与超弹性复合训练法可获得最大双向记忆效应应变量，恒应力下相变循环训练方法亦可得到较大的双向记忆效应，但训练效率较低。
表1 双向形状记忆效应训练方法
由于形状记忆合金相变温度点随着其内部应力场的变化而改变，因此具体加载过程中很难依靠温度值判断其是否发生相变[16]。此外，大多数训练方法还需在训练前设定记忆合金内部的应力或应变。而对于本文的薄板结构，由于边界约束作用，形状记忆合金内部应力或应变不会处处相同，因此这些方法不能直接满足本文的训练要求[17-18]。
事实上，形状记忆合金的杨氏模量会随着相变过程的进行而改变。一般来说，SMA奥氏体相下的杨氏模量高于马氏体相(本文所用形状记忆合金材料，奥氏体相下的杨氏模量约为50.3 GPa，马氏体相下约为22.0 GPa)，这一特殊性质会导致记忆合金训练时加载的力随着相变的进行而发生改变。因此，可利用这一特殊现象判断训练加载温度是否已经达到形状记忆合金实际相变温度点。
在此基础上，本文基于Hebda和White提出的训练方法以及恒应力下相变循环训练方法提出适用于约束条件下的恒变形循环训练方法，其过程如下：1)将形状记忆合金固定于训练装置中，加热至Af+30 ℃左右；
2)对奥氏体相下的形状记忆合金板加载，使之变形成所需形状；
3)保持变形加载不变，降低形状记忆合金温度，直至训练加载力不再减小；
4)保持变形加载不变，升高形状记忆合金板温度，直至训练加载力不再增大；
5)重复3)、4)步骤直至加载力不再变化。
需要说明的是，在第1)步中形状记忆合金被约束在训练装置中，升温时由于热胀冷缩，结构中也将出现一定应力场，因此一般在该阶段需将记忆合金加热至Af+30 ℃左右，以保证此时记忆合金必定为完全奥氏体相。
1.3 形状记忆合金板训练装置设计
为使形状记忆合金板在约束边界条件下仍存在双向形状记忆效应，训练时必须使形状记忆合金板中性面产生较大的形变。为了能对形状记忆合金板施加足够大的训练载荷，训练过程中利用试验机施加载荷。图3为所设计的训练约束装置内部示意图。训练时，试验机通过球形训练模具对形状记忆合金板施加训练载荷，使之产生变形，利用保温石棉将模具与形状记忆合金板隔离，以减少训练模具与形状记忆合金板之间的热传递，提高升/降温效率。加热模块则是利用100 W/220 V玻璃纤维加热带制成的圆形加热器，利用液氮对记忆合金板进行降温，利用工字型支架将液氮导管固定于装置中。
图3 约束装置内部示意图
1.4 训练装置效果测试
本文利用热像仪对形状记忆合金板表面温度场进行测试。图4所示为板升温至中心温度为100 ℃时的温度场分布情况。由图可以看出，SMA板表面大部分区域的温度场分布比较均匀，但因训练装置导热造成板边缘处温度相对较低。实际测得利用该装置将SMA板由-80 ℃升温至120 ℃再降温至-80 ℃(一个训练周期的温度变化范围)所需的时间约为5 min。
图4 升温时板表面温度分布
1.5 形状记忆合金板的训练
为使得形状记忆合金板中性面产生足够大的变形，本文利用图5所示的训练模具(曲率半径为66.25 mm)对奥氏体相下的形状记忆合金板施加能产生10 mm位移的载荷，并在训练阶段保持位移恒定不变。
图5 训练模具
图6所示为恒变形训练过程中对形状记忆合金板施加的载荷，其中因形状记忆合金板双向记忆效应产生的力由奥氏体相下训练载荷与马氏体相下训练载荷差值计算得到。在开始几个训练周期内，由于形状记忆合金自身蠕变效应以及塑性应变的累积，因此奥氏体相下训练载荷总体呈下降趋势，而马氏体相下训练载荷呈十分缓慢的上升趋势。经过大约20次训练之后，各相下的训练载荷均趋于稳定。
由于形状记忆合金板在热处理阶段已被设定为高温形状，而训练则是使其具备低温形状，因此本文所训练的形状记忆合金板具有升温变平、降温鼓起的特性。然而，训练过程中引入的不可恢复形变导致了形状记忆合金板在高温下仍然具有一定的挠度变形，图7所示为板经过不同训练次数后室温下的残余变形。
图6 训练周期内训练载荷演变
图7 形状记忆合金板残余变形
2.1 无载荷条件下形状记忆合金板双向记忆效应
本文利用图8所示的装置对所训练的形状记忆合金板双向形状记忆效应进行测试。利用千分表测量形状记忆合金板的变形，利用T型热电偶测量形状记忆合金板中心处温度。
图8 测试实验装置
图9所示为形状记忆合金板挠度变形随温度变化的曲线。升温初始阶段(0—1段)，形状记忆合金板为完全马氏体态，此阶段温度并未达到As温度，不会发生马氏体逆相变，只会出现热膨胀现象。由于训练后的形状记忆合金板存在残余变形，因此其高度有所增加，因热膨胀产生的挠度变形约为0.14 mm。当温度升高至约35.6 ℃时，达到了As温度，形状记忆合金板开始发生相变，直到升温至大约68.5 ℃，达到Af温度，相变结束。在这一阶段，形状记忆合金板开始发生马氏体逆相变，呈现形状记忆效应，挠度迅速减小。整个相变阶段，板挠度大约减小0.57 mm。当温度进一步升高(2—3阶段)，与0—1阶段相同，形状记忆合金板只出现热膨胀现象，高度再次增加，直至升温结束。降温初始阶段(3—4阶段)，形状记忆合金板处于完全奥氏体相，由于温度并未达到Ms温度，形状记忆合金板只表现出冷缩现象，挠度缓慢减小。当温度降低至27.4 ℃，达到Ms温度时，马氏体相变开始发生，此时形状记忆合金板因马氏体相变而产生形状记忆效应，挠度迅速增大，直至降温至-6.2 ℃时相变结束。此阶段，板挠度增大约0.60 mm。继续降温(5—0阶段)，形状记忆合金板只出现冷却收缩现象，因此板中心点挠度又缓慢减小。在整个升、降温期间，形状记忆合金板双向记忆变形约为0.75 mm，为形状记忆合金板变形区半径的1.88%。
图9 形状记忆合金板挠度随温度变化
2.2 均布载荷下形状记忆合金板双向记忆效应
形状记忆合金板作为一种自适应结构，在实际应用中需要考虑的一个重要问题即是板在外载荷条件下的双向形状记忆性能。图10所示为形状记忆合金板在均布载荷条件下双向记忆效应测试实验装置示意图。为了避免铁砂吸收过多热量而导致升温困难，实验中将保温石棉置于铁砂与板之间，隔热的同时也能使加载载荷分布更加均匀。
图11所示为形状记忆合金板双向形状记忆变形随加载载荷变化的曲线。由图中可以看出，随着载荷增大，形状记忆合金板产生的双向记忆变形变小。当载荷增加至4 000 Pa时，其双向记忆变形比载荷为0时减小0.1 mm(约13%)。图12所示为不同外加载荷下板高度随温度变化曲线。从图中可以看出，外加载荷不仅使得板的双向记忆变形减小，同时对相变温度点也有很大影响。与无外加载荷相比，形状记忆合金板实际相变点温度As略微升高，Ms温度以及Mf温度明显减小，而Af温度则没有发生太大变化。这表明外载荷作用主要对形状记忆合金板马氏体正相变温度有较大影响，而对逆相变起始时刻影响不大。外加载荷由2 000 Pa升至4 000 Pa时，板相变Mf温度降低，而相变As,Af,Ms温度均没有明显变化。
图10 分布加载时形状记忆合金板测试装置
图11 不同载荷下形状记忆合金板双向记忆变形
本文提出了一种适用于约束条件下的形状记忆合金板双向记忆效应训练方案，基于该方案制备了双向记忆效应形状记忆合金板和试验装置，通过试验得到以下结论：
1)经过约20次左右的循环训练，形状记忆合金板双向记忆效应稳定，有3.2 mm左右高度方向的残余变形。
图12 不同载荷下形状记忆合金板挠度随温度变化
2)外加均布载荷对形状记忆合金板双向形状记忆变形有比较大的影响，外加载荷越大，形状记忆合金板产生的双向记忆变形越小。
3)不同载荷条件下的测试结果显示，施加外载荷会使约束条件下形状记忆合金板马氏体正相变温度偏低，而对逆相变温度影响不大；
此外，外载荷变化仅对形状记忆合金板马氏体正相变结束温度产生较为明显的影响。