论文部分内容阅读
一般而言，相变是应力和温度双重控制的，相变波的传播和相互作用也必然受温度的影响，这是一个热力耦合问题。本文中，我们对TiNi合金热力学行为及相变波在TiNi杆中传播问题进行了试验研究，系统总结了应力波和温度界面的基本相互作用规律，计算分析了相变冲击波和弹性波在温度梯度杆中传播问题，考虑了相变过程温度变化对相变波传播的影响。 将红外瞬态测温系统引入SHPB冲击实验，对材料试件确定了温度标定曲线，实时测量了冲击下Al合金试样表面温度。直接红外测温的实验结果与根据能量守恒理论计算的温度吻合较好，说明本文采用的红外测温方法实时测量冲击瞬态温度是可行的。 采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置TiNi合金的热力学行为进行了试验研究，实时测量了相变过程中温度的变化。实验结果表明，TiNi合金的行为同温度相关:弹性加载过程温度基本无变化，相应的相变临界应力不随应变率的变化而变化;冲击加载正相变过程中，温度随相变应变的增大而升高，当应变最大时，温度最高，相应的相变后继应力随应变率的增大而提高，混合相模量具有明显的硬化效应;卸载过程，对初始PE状态试样，由于逆相变吸热，温度降低，对初始SME状态试样，保持最大加载温度基本不变，只有当加载最高温度大于马氏体相变起始温度时，温度降低，在相应的在应力应变曲线上表现为卸载部分逆相变;卸载完成后，两种试样温度均高于其初始温度。对比根据能量守恒计算结果发现，相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。 只考虑温度对相变阈值应力的影响，在纯力学框架下，基于一维应力波特征线理论全面分析总结了应力波和温度界面的基本相互作用规律，给出了较为完整的波系传播图案。采用上述同样SHPB压杆装置对形状记忆TiNi合金杆进行了一维应力条件下的撞击试验，试验前通过不同的热处理方式在两根TiNi杆接触面处建立了初始的温度界面，实验结果揭示了弹性波和温度界面的基本相互作用规律，对相变波只有少部分结果得到验证。对相变波传播过程实时温度测量结果表明:相变波阵面即是一移动的温度间断面。 在相变波系和温度界面基本相互作用规律的基础上，采用Lax-Friedrichs和Lax-Wendroff相混合的有限差分方法对相变波在温度梯度杆中传播规律进行了计算分析。指出，当相变冲击波在温度连续线性升高的杆中传播时相变冲击波最终变为弹性波，并且在杆中形成相变梯度材料，采用量纲分析和计算相结合的方法给出了杆中各相区宽度的解析解，并与准静态结果进行了比较;当弹性波在温度连续线性降低的杆中传播时，弹性波在传播过程中可形成相变冲击波，杆最终完全处于纯Ⅱ相态。 分析了相变过程温度变化对相变波传播的影响。建立了描述相变材料热力耦合行为的动态相变本构，给出了相变波阵面区域温度分布的解析解，其解表明，温度分布受材料变形速率、热传导和热对流的控制，等温低应变率下，热传导和热对流的作用不可忽略，冲击高应变率时相变波阵面即为温度间断面。基于热力学第二定律和最大能量耗散原理得到了相变波阵面上的相变驱动力的表达式，从而建立了描写相变驱动力和相变冲击波传播速度的相变动力学关系，利用建立的动力学关系，对冲击绝热呈非线性硬化的形状记忆杆进行了预测，预测结果与实验结果吻合较好。对冲击载荷下SME杆中波传播进行了计算分析，比较了等温和绝热条件下波结构的不同，发现卸载时绝热条件下出现逆相变冲击波。