7×7 構型NiTi 形狀記憶合金絞線超彈性試驗研究

摘要：重點探討了單絲直徑為1.0 mm的7×7構型超彈性形狀記憶合金（SMA）絞線的力學性能，主要關注其回復能力和耗能能力. 分析了熱處理方案、應變幅值、循環加載、預訓練和加載速率對SMA絞線的殘余應變、能量耗散、等效黏滯阻尼比、強度和剛度的影響. 此外，通過單調拉伸試驗比較了SMA絞線與SMA絲材的抗拉強度和極限應變. 結果表明，經過400 ℃下退火10 min后，SMA絞線具有出色的超彈性性能，應變回復率達到91.7%. 在恒定應變幅值加卸載訓練下，SMA絞線的力學性能逐漸趨于穩定，應在工程應用中予以考慮；通過預訓練的方式可以顯著提高SMA絞線的回復能力，未經熱處理和退火10 min的試件在預訓練后殘余應變分別降低了47%和41%；當加載速率大于5×10-4 s-1后，SMA絞線的滯回環形態對加載速率的變化不敏感；與SMA絲材相比，SMA絞線具有更好的延性和魯棒性，適用于在大變形情況下提供足夠的恢復力；試驗結果為SMA絞線的工程應用提供了試驗數據支持.

關鍵詞：形狀記憶合金絞線；超彈性；熱處理方案；預訓練；力學性能

中圖分類號：TG139.6 文獻標志碼：A

NiTi形狀記憶合金（shape memory alloys， SMA）是一種智能材料，具備獨特的形狀記憶效應和超彈性. 通常情況下，SMA具有兩種晶體狀態：奧氏體狀態和馬氏體狀態. 由于這兩種固相狀態之間的可逆相變，SMA 在經歷大變形后可以恢復到其原始形狀［1］. 超彈性SMA以其獨特的高阻尼、良好的能量耗散、高疲勞性和自復位等特點，廣泛應用于土木工程的被動減震控制領域［2-3］.

目前，土木工程領域應用的SMA 主要以絲材［4-6］、棒材［7-9］、螺旋彈簧［10］、碟形彈簧［11］、板材［12］和絞線［13-18］等形式工作. SMA絞線作為一種相對較新的構造形式，是由絲材元件以分層方式組成的組合結構，通過一定數量的絲材根據不同結構形式螺旋纏繞絞合而成. 這種由多根小直徑SMA絲材組成的SMA絞線，成本較低且承載力較大. 此外，SMA絞線在設計中具有很好的靈活性，可以通過選擇絞線的截面幾何形狀、截面尺寸、纏繞方式和絲材直徑，以滿足實際應用中的需求.

考慮到SMA絞線的上述優點，學者們進行了一系列關于其開發和應用的研究. Reedlunn 等［19］和Biggs等［20］對7×7構型的超彈性SMA 絞線進行了試驗研究，發現這種構型表現出類似SMA絲材的單軸拉伸響應，并能夠有效地“放大”SMA絲材的優越性能. Ozbulut等［13］和Sherif等［14］重點研究了SMA絞線的疲勞特性及其在不同加載速率和應變幅值下的超彈性響應. Fang等［15］研究了不同熱處理方案對單絲直徑0.8 mm的7×7構型SMA絞線的影響，包括強度、剛度、耗能能力和自復位能力等方面的變化規律.Shi等［16-17］針對單絲直徑0.885 mm 的7×7 構型SMA絞線提出了兩種端部錨固方式，并通過試驗研究了環境溫度對其滯回性能和超彈性疲勞行為的影響.試驗結果表明，環境溫度顯著影響了SMA絞線的超彈性行為. 當SMA絞線在接近其奧氏體相變結束溫度的條件下加載時，功能退化最小；然而，當環境溫度接近其逆相變溫度時，隨著加載幅值和循環次數的增加，超彈性行為的退化變得更嚴重. 此外，Shi等［18］研究了直徑4.2 mm的7×7構型SMA絞線，該絞線由3種不同直徑的SMA絲材組成，重點研究了不同熱處理溫度和預應變對絞線的力學特征參數的影響.

當 前研究表明，7×7構型SMA絞線具有與SMA絲材相似的超彈性特性和出色的滯回性能，同時具備充足的承載能力、更好的延性和魯棒性，而且其取材于SMA絲的成本相對較低，因此在結構振動控制領域應用中，它被視為理想的抗拉元件. 然而，目前學者們在研究SMA絞線的熱處理方案時，通常考慮熱處理溫度和時間的協同作用. 導致提出的熱處理溫度和時間的合理取值范圍較大，不便于在實際應用中進行選擇. 此外，關于不同加載速率、預訓練以及單調拉伸等因素對SMA絞線在超彈性特性、疲勞性能和極限狀態方面的影響仍需要進一步深入研究. 因此，開展SMA絞線的力學性能試驗，研究提升其超彈性行為的方案，并探究在不同熱處理條件下的極限斷裂能力，對于SMA絞線的設計和應用具有重要的工程實際意義.

本研究以單絲直徑1.0 mm 的7×7 構型超彈性SMA絞線為對象，采用室溫循環拉伸試驗，系統研究了在不同熱處理方案、應變幅值、循環次數、預訓練和加載速率下，該絞線的屈服強度、殘余應變、割線剛度、單圈循環耗能和等效黏滯阻尼比等力學特征參數的變化規律. 此外，進行了7×7構型SMA絞線的單調拉伸試驗，并與SMA絲材進行對比，以研究不同熱處理方案下絞線的極限變形能力，為7×7 構型SMA絞線的工程應用提供試驗數據支持.