形状记忆合金相变-塑性耦合作用下的低周疲劳机理研究

The greatest challenge in engineering applications of shape memory alloys (SMAs) is their poor fatigue performance when subjected to cyclic loading; phase transformation makes the mechanisms of fatigue in SMAs much more complex than in “classical” metal materials. This project aims at carrying out a multiscale investigation of low cycle fatigue of shape memory alloys based on the coupling between transformation and plasticity to promote their use in a larger variety of long-life and high-performance SMA driven applications. To this end, local stress field and dislocation slips at transformation interfaces will be first investigated experimentally and theoretically at mesoscopic scale to reveal the mechanism of crack initiation in SMAs; second, a multiscale model about “phase transformation-plasticity” will be established to quantitatively link the mesoscopic fatigue parameters to the macroscopic thermal and mechanical responses of SMAs; then a fatigue criterion in consideration of transformation features will be developed. Finally, this fatigue criterion will be used to optimize SMAs structures with respect of thermo-mechanical fatigue.

循环载荷下形状记忆合金的马氏体相变过程使得其低周疲劳行为异常复杂，已成为严重制约形状记忆合金材料在航空航天结构中应用的瓶颈。本项目旨在深入研究形状记忆合金相变-塑性耦合作用下的多尺度低周疲劳机理，为长寿命高性能形状记忆合金结构设计制造提供技术支撑。主要包括：通过理论和实验手段，对细观尺度下相变界面处局部应力场和局部位错滑移展开研究，揭示循环相变过程中疲劳裂纹萌生机理；建立相变-塑性多尺度耦合模型，实现细观疲劳损伤参数与宏观热力学响应的定量关联，全面揭示相变对形状记忆合金低周疲劳的影响机理；在上述实验与理论结果的基础上，建立全面涵盖相变特征的形状记忆合金疲劳寿命预测模型，并最终提出改善形状记忆合金低周疲劳性能的方法。

形状记忆合金（shape memory alloys, SMA）具有主动变形优良特性，可摆脱复杂伺服系统的制约，在变体飞行器超轻量化设计领域极具发展潜力。然而，SMA在循环相变过程中存在严重的低周疲劳问题，已成为制约其工程应用的瓶颈。本项目旨在深入研究形状记忆合金材料相变-塑性耦合作用下的多尺度低周疲劳机理，为长寿命高性能形状记忆合金结构设计制造提供技术支撑。取得的主要研究成果如下：.①揭示了SMA相变界面位错滑移产生机理。建立了奥氏体-马氏体相变过程中的非凸自由能函数，并以之为基础建立了相变界面局部应力模型，推导了局部相变应力的理论上下边界，揭示了TRIP产生的能量条件。②实现了相变诱发塑性的跨尺度建模。阐明了真实SMA中奥氏体-马氏体混合相对相变稳定性的影响机制，揭示了外载显著低于材料屈服极限的情况下仍然出现TRIP的物理机理，建立了基于能量的TRIP屈服条件，实现了局部TRIP与宏观力学行为的跨尺度关联，阐明了TRIP的温度效应。③发现并阐明了相变过程中的塑性集中现象。随着马氏体带的不断传播，相变带前沿的温度持续上升，直至相变结束（相变完成或卸载）时达到最大。由于TRIP的温度效应，其幅值将在该最大温度处达到峰值，即在宏观残余应变场中产生明显可见的塑性集中现象。④发现了相变-塑性作用下SMA疲劳寿命的等值线分布规律与低周疲劳寿命理论上限。揭示了局部塑性是SMA低周疲劳失效的主导因素，发现并阐明了SMA低周疲劳寿命等值线分布规律，实现了相变界面局部应力、局部位错滑移等微细观疲劳影响因素与相变温度这一宏观环境变量的跨尺度关联，据此预测并通过实验证实了SMA低周疲劳寿命存在理论上限。.基于上述成果，发表学术论文4篇，其中关于塑性集中现象的论文发表在工程领域顶级期刊《International Journal of Plasticity》。申请发明专利4项。本项目成果为改善SMA疲劳寿命、推广其在航空航天领域工程应用具有理论指导意义，在航空航天长寿命变体结构设计方面极具发展潜力。