应力诱发马氏体相变微结构演化的实验观测、理论计算和数值模拟

论文摘要

形状记忆合金（SMA）是一类重要的智能、功能材料,其独特的形状记忆效应和超弹性使其已获得较为广泛的应用。近年来随着溅射和微加工技术的迅速发展,SMA更被认为是可用于制备微机电系统（MEMS）中驱动与控制元件的一种较为理想的材料。为了充分发挥材料性能,并能对形状记忆合金为材料制成的微小型器件及医疗器械进行优化设计,十分需要深入地研究并掌握形状记忆合金微尺度下的相变过程及其与宏观力学行为的关系。本文首先从实验观测方面考察了Cu基形状记忆合金单晶CuAlNi应力诱发马氏体相变的特征,及其微结构的演化规律。根据实验材料的特殊性,自行设计一套实验系统用于宏观力学行为和微观结构演化的实时观测;结合图像处理的方法,获得相变过程中关于试样全局的定量化信息;并利用统计分析的方法,从中提取相界面数、相分量、宽度分布等一系列定量的信息,用于寻找和分析相变的特征和规律。实验结果表明,相变过程可分为三个阶段:伴随着应力急剧下降的以马氏体条带形成为主的阶段,应力相对比较平稳的条带形成与长大并存的阶段,以及以马氏体条带变宽并且相互融合的长大为主的阶段。对于同一个试样,相变也具有多步（两步或者三步）的特征。最后,通过马氏体条带宽度的分析,也同样印证了以上的结论,并且发现在整个相变过程中,马氏体条带的宽度分布都是不均匀的。通过对马氏体相变的一维动力学模型的数值模拟,考虑了其等温和非等温的情况,用于模拟与解释实验中观测到的现象。结果显示,相变发生与结束时,各部分能量都会发生突变,应力急剧下降,而相变的整个过程中出现的是多界面的微结构,且界面有一定的厚度。另外还详细考察了模型中的各个参数对相变微结构和宏观应力应变曲线的影响。利用同伦分析方法,可对描述相变的非线性Euler-Lagrange方程进行求解。尤其在界面数较大的情况下,同伦分析方法显示出其极大的优越性。同时,利用解的对称性条件,可得到所有满足解表达的级数解。在能量泛函极小化的情况下对所获得的级数解进行分析,结果显示相变开始应力会急剧下降,相变微结构是多界面的,这些与实验结果和数值模拟结果一致。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 形状记忆合金的发展
• 1.2 形状记忆合金在MEMS中的应用
• 1.3 马氏体相变简介
• 1.4 马氏体的变形梯度
• 1.5 应力诱发马氏体相变
• 1.6 马氏体相变的微结构演化
• 1.7 跨尺度的连续介质热力学模型的发展
• 1.8 一维动力学模型
• 1.9 本文的工作与意义
• 第二章 相变微结构定量观测的实验方法
• 2.1 实验材料与尺寸
• 2.2 抛光
• 2.3 热处理工艺
• 2.4 实验设备
• 2.5 相变微结构的定量观测
• 2.5.1 全局照片的拍摄
• 2.5.2 相变微结构的图像处理:相特征函数
• 2.5.3 相特征函数的统计平均:界面数、相分量和条带宽度分布
• 2.6 小结
• 第三章 应力诱发马氏体相变微结构演化的特征
• 3.1 应力平台与应力突降
• 3.2 微结构特征:平行的马氏体条带
• 3.3 相变应变与相分量的关系
• 3.4 相变过程中界面数的变化
• 3.5 相变微结构的演化过程
• 3.6 相变的分阶段
• 3.7 参数估计
• 3.8 马氏体条带宽度的不均匀性
• 3.9 小结
• 第四章 热力耦合的动力学模型的数值模拟
• 4.1 热力耦合的动力学模型
• 4.2 数值计算方法
• 4.3 数值计算结果-等温情况
• 4.3.1 应力失稳
• 4.3.2 能量的变化
• 4.3.3 多界面的微结构
• 4.3.4 界面能的影响
• 4.3.5 非均匀能对微结构的影响
• 4.4 数值计算结果-非等温情况
• 4.4.1 近似等温的情况
• 4.4.2 能量的变化
• 4.4.3 多次应力下降与新的界面出现
• 4.4.4 各参数的影响情况
• 4.5 小结
• 第五章 同伦分析方法求解Euler-Lagrange方程
• 5.1 Euler-Lagrange方程
• 5.2 无量纲化
• 5.3 解的对称性
• 5.4 同伦分析方法
• 5.4.1 零阶形变方程
• 5.4.2 高阶形变方程
• 5.4.3 非零解的出现条件及其特征:分岔
• 5.4.4 解的收敛性
• 5.5 解的特征
• 5.6 能量极小的情况下的解
• 5.7 小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢