具有初始织构的多晶铁磁形状记忆合金力磁耦合相变机理与力学性能分析

Polycrystal ferromagnetic shape memory alloys (PFSMAs) with pre-textured are a new type of functional material. In addition to the strains induced from temperature or stress controlled conventional shape memory behavior, large strains can be produced in this alloy under the external application of moderate magnetic fields.It is easy to process and less costly. These properties make PFSMAs attractive for a wide range of applications. However, till now some studies for these material focused on the fundamental stage. And many important properties are not yet investigated in detail. This project will evaluate magneto-mechanical behavior,phase transformation characteristics and its evolution ,and mechanical parameters. Based on the micromechanical and the thermodynamic theory, considering anisotropy, the orientation distribution function of crystallographic texture, magneto-mechanical paths and microstructure,a constitutive model for PFSMAs will be developed. Numerical simulation will be conducted,which can extend this model to complex structure and complex magnetic and mechanical field.By using the proposed model, the effect of orientation distribution function of crystallographic texture,the load and magnetic field on magnetic-field-induced strains and distribution of stress will be analyzed in detail. The proposed work can provide theoretical foundation in designing textured ferromagnetic shape memory alloys．

具有初始织构的多晶铁磁形状记忆合金不仅具有传统的温控和应力控制形状记忆合金的特点，还可以在磁场的作用下输出应变。该材料制备简单，成本低，抗压强度高，具有广泛的应用前景。然而，到目前为止人们对该材料在力、磁耦合作用下的相变机理和力学特性的研究还属于初步探索阶段，对其本构特性认识还不够充分。本项目拟对该材料在力、磁耦合作用下的力学性能进行测试，观察相变微结构特征，分析其细观结构、应力、磁场等因素对材料相变和力学特性的影响，建立相应的定量关系；结合细观力学方法和热动力学原理，考虑织构的取向分布和材料的各向异性，建立一种能准确表征材料微细观结构和磁力学路径的各向异性本构模型；编制适用于模拟该材料相变机理和力学特性的计算程序，与试验数据进行比较，验证理论的正确性与有效性；在该理论框架下系统地分析织构、外力和磁场等因素对多晶铁磁形状记忆合金力学性能的影响，为该材料在工程实际中的应用提供理论指导。

铁磁形状记忆合金是一种新型的功能材料，它可以在磁场、温度或应力作用下输出应变，具大输出应变与高响应频率等综合特性，是制造新一代驱动器和传感器的关键材料。具有初始织构的多晶铁磁形状记忆合金制备简单，成本低，抗压强度高，具有广泛的应用前景。然而，到目前为止人们对该材料在力、磁和温度耦合作用下的相变机理和力学特性的研究还属于初步探索阶段。本项目以定向凝固的多晶铁磁形状记忆合金Ni-Mn-Ga为研究对象，对该材料进行力学训练, 测试了试样的材料特性、细观结构特征和初始织构。分别测试了试样在恒压应力作用下的磁致应变曲线、恒磁场作用下的应力-应变曲线和恒磁场作用下的温度-应变曲线等。根据试验结果，分析了应力、磁场、温度和切割角等耦合因素对材料力学行为的影响。根据宏观应变产生原因进行分析，运用热力学的方法，考虑了马氏体相变和逆相变的过程中的驱动力和能量耗散等，建立了三维宏观本构模型；根据试验结果，对该材料的细观结构进行分析，基于自洽法理论和热力学原理，通过选取适当的状态变量，建立了定向凝固多晶Ni-Mn-Ga的细观力学本构模型。相关分析表明：（1）力-磁-热耦合作用下，定向凝固的方向可以获得的宏观应变最大；（2）在力-磁-热耦合作用下，试样切割角对宏观应变的影响比较大，材料的力学性能呈各向异性；（3）本构模型体现了夹杂的形状、尺寸以及择优取向等因素对材料宏观性能的影响，数值分析结果与实验数据吻合性较好，能很好地分析定向凝固多晶Ni-Mn-Ga的宏观各向异性力学行为，从而为该材料的设计和使用提供理论依据。