1. 研究目的与意义（文献综述）

形状记忆合金是一种智能型功能材料，它集感知与驱动功能于一体，可以制成传感器、探测器、阻尼器件、能量转换器以及智能微型装置等，在电子通信、医疗卫生、机械制造、航空航天、能源化工、土木建筑以及日常生活等众多领域具有广泛的用途。在目前已得到实际应用的三大形状记忆合金体系（ni-ti基、cu基和fe基合金）中，cu基形状记忆合金，如cu-al-ni，cu-zn-al和cu-al-mn合金等，由于具有价格低廉（不到ni-ti合金的1/10）、良好的导电和导热性能、相变温度可调范围广、工作温度较高等优点，已成为除ni-ti合金之外，较具应用前景的形状记忆合金。新型cu-al-mn形状记忆合金，由于其良好的热稳定性和优良的力学性能，近年来正受到越来越多研究者的关注，成为cu基形状记忆合金的又一研究热点。前期研究表明采用定向凝固方法制备了具有轴向强lt;001gt;织构和平直低能晶界特征的柱状晶cu-al-mn形状记忆合金，解决了普通多晶组织cu基形状记忆合金由于变形协调能力差，易发生晶间断裂而导致记忆性能差，限制了合金的广泛应用的问题。该合金的超弹性应变可达到10%以上，达到单晶合金水平，具有替代ni-ti合金的潜力。

柱状晶cu-al-mn形状记忆合金具有这么高的超弹性应变，使合金可以应用于抗震、抗冲击和自愈合应用中。为了满足复杂应力状态下的应用，单纯靠实验方法很难表征所有应用状态下的力学行为。数值分析可以在一定程度上解决复杂的力学行为分析，而本构模型的建立是数值分析的基础和前提。因此本课题的目标是建立起柱状晶cu-al-mn形状记忆合金的超弹性本构方程。研究形状记忆合金的本构模型具有很大的难度，这是由于形状与记忆合金特性的特殊性，为了更好的应用形状记忆合金，我们需要一个本构模型来描述其力学特性，而由于其在应力加载和温度的作用下发生相变，相变又是可逆的，导致应力应变曲线不再是一个单一的曲线，而是具有滞回环的封闭曲线，这样传统的连续函数就无法使用，目前主流的方法是将滞回环分开两段来分别用函数来表示。形状记忆合金的本构模型与很多因数有关，所以目前大多数的模型都是应力应变温度的函数且与界面参数和加载历史等因数有着直接的关系。

当sma（形状记忆合金）在超弹性状态下循环时，sma的性能将随着循环数的增加而衰减，包括塑性应变的累积和最大变形应变的演变。此外，当sma经受重复的热或热机械负载时，转变温度将随着循环数而演变（例如超弹性循环是典型的热机械循环负载）。特别地，在超弹性循环期间可以在sma中产生塑性应变。研究人员发现，导致塑性应变产生的位错主要在马氏体相和正向转变期间产生，因为奥氏体的滑移临界应力比马氏体的临界应变大几倍。 基于这种现象，塑性应变的演变应该只发生在正向变换中，而不是都在正向和反向变换中。因此，本构模型中塑性应变的演化规律应与正向变换相关。然而，现在的描述sma的超弹性循环效应的本构模型通常假设了同时与塑性应变的正向和反向变换相关的演变规律。此外，塑性应变，最大变形应变和转变温度的演变在现有模型中几乎不被同时考虑。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

（1）通过定向凝固技术制备出较好的柱状晶cu-al-mn形状记忆合金，马氏体相变开始温度ms在-20 ~ -50℃，室温下由奥氏体相组成，使得合金在室温下（ms 40 ~ 70k）可以很好的表现出超弹性。对合金的组织结构、拉伸超弹性性能进行测试，

（2）利用拉伸超弹性的基本数据建立起合金的一维本构方程，建立起合金的超弹性力学模型，并采用有限元软件模拟计算在一些应用需要的较复杂应变（如多种拉压组合的循环、复杂应变路径等情况）下的力学行为。

3. 研究计划与安排

1.第1-2周查阅国内外文献并翻译英文文献，了解形状记忆合金超弹性和本构的相关知识，了解有限元分析方法，完成开题报告；

2.第3-4周学习与研究内容相关的理论知识和试验方法，开始进行本构参数的测试；

3.第5-9周完成本构模型的建立；

4. 参考文献（12篇以上）

1. 林会杰. 考虑循环效应的niti合金超弹性本构关系[d]. 大连理工大学固体力学, 2015.

2. liu j, huang h, xie j. the roles of grain orientation and grain boundary characteristics in the enhanced superelasticity of cu71.8al17.8mn10.4 shape memory alloys[j]. materials amp; design, 2014,64:427-433.

3. zhang x, yan x, xie h, et al. modeling evolutions of plastic strain, maximum transformation strain and transformation temperatures in sma under superelastic cycling[j]. computational materials science, 2014,81:113-122.