形状记忆合金作为一种新型智能材料, 具有形状记忆功能以及独特的伪弹性特性。处于伪弹性状态的TiNi合金, 其相变滞回环可以吸收能量, 且没有残余变形, 在工程结构抗震防护、冲击吸能方面显示了潜在的优势, 已在复合材料抗冲击领域得到较广泛应用。J.S.N.Paine等^[1]发现, 尽管形状记忆合金纤维的体积分数仅2.8%, 却能极大地提高复合材料梁的抗冲击破坏能力和吸能能力。V.Birman等^[2]研究表明, 低速冲击下含形状记忆合金纤维的碳/环氧层合板的挠度可降低1/3左右。对于TiNi形状记忆合金结构件在冲击条件下的动态力学行为的研究, 十分有限。唐志平等^[3]和张兴华等^[4-5]对处于伪弹性状态的TiNi合金悬臂梁进行了冲击实验研究, 发现和普通弹塑性梁迥然不同的运动、变形和吸能特性, 并提出“相变铰”的概念。吴会民等^[6]和黄赫等^[7]对TiNi合金固支梁进行了冲击实验, 指出由于轴力的作用相变铰成为拉伸侧的单边铰, 具有和塑性铰不同的特性。唐志平等^[8]研究了TiNi合金圆柱薄壳的结构冲击响应和屈曲模态。

本文中, 对伪弹性状态TiNi形状记忆合金圆薄板进行冲击实验, 并和弹塑性钢板比较, 了解TiNi圆薄板的冲击响应特性以及复杂应力状态下相变区域的传播规律。

1.   实验

1.1   TiNi合金材料性能

TiNi合金板成分为w(Ti)=49.1%, w(Ni)=50.9%, 室温下处于伪弹性状态。用MTS809试验机测得该材料室温下的拉伸力学参数如下(材料性能测定所用试件与下文实验所用试件取自同一块TiNi合金板):弹性模量为62 GPa, 密度为6 450 kg/m³, 泊松比为0.3, 相变起始应力和完成应力分比为465和545 MPa; 逆相变的起始应力和完成应力分别为248和160 MPa, 相变应变为0.04。

1.2   实验装置

实验在中国科学技术大学经过改造的Ø37 mm分离式Hopkinson压杆上进行, 实验装置如图 1所示。TiNi合金板试样尺寸为220 mm×220 mm×2 mm, 用12个M10预应力螺栓把试件固定在两块钢板(钢板厚度10 mm)之间, 钢板中间开有Ø180 mm的圆孔(即试件的实际实验尺寸)并固定在支座上。子弹材料为45钢, 经过热处理以提高表面硬度。子弹的直径为14 mm, 长度分别为200和100 mm, 头部呈半球形, 确保撞击时近似满足点接触的条件。用高速摄像机CCD1(Phantom V7.1)拍摄子弹撞击过程, 拍摄频率为10 000 s^-1, 观察子弹和板的相互作用过程。采用阴影云纹法测量加载过程中板的全场挠度分布, 光栅置于板前方10 mm处, 用高速摄像机CCD2(Phantom V12.1)记录云纹的变化, 拍摄频率为50 000 s^-1。为了增加云纹图像的对比度, 试件表面喷涂亚光白漆, 光源采用脉冲氙灯。第N级条纹处的挠度近似计算公式为:

图  1  实验装置示意图

Figure  1.  Experiment apparatus sketch

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式中:参考栅节距P=0.2 mm, 光源与相机之间的距离D=36 mm, 光栅到光源的距离L=58 cm。

板的两侧共粘贴11个应变片(黄岩测试仪器厂, BX120-1AA型, 敏感栅尺寸1mm×1mm, 阻值(119.7±0.1) Ω, 灵敏度系数2.08(1±1%))。应变片A代表自由侧, 应变片B代表加载侧。下标第1个数字代表应变片所在的位置, 位置1~4距离板中心的距离分别为5、30、55和85 mm, 第2个数字1和2分别代表径向和环向, 应变片A₀粘贴在A侧板中心, 如图 2所示。

图  2  应变片位置示意图

Figure  2.  Sketch of strain gauge location

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2.   实验结果

共进行了6次实验, 主要的实验结果见表 1。l为子弹长度, v₁和v₂分别为子弹撞击前的瞬间速度和撞击后的回跳速度, 由CCD1拍摄的图像判读。w_m为板中心最大挠度, 通过处理CCD2上拍摄的云纹图像得到。w_re为剩余挠度扰度。e_d为耗散能, 是撞击前后子弹损失的动能。实验后TiNi试件观测不到残余挠度, 而回收的A3钢试件测量到明显的残余挠度。图 3是实验1中典型时刻的云纹记录图像, 图 4是根据云纹图像得出不同时刻沿径向的挠度曲线。

表  1  主要实验结果

Table  1.  Experimental results

实验	试件	材料	l/mm	v1/(m·s-1)	v2/(m·s-1)	wm/mm	wre/mm	ed/J
1	1	TiNi	200	4.74	3.56	3.01	-	1.162
2	2	TiNi	200	5.33	4.23	3.98	-	1.247
3	2	TiNi	100	6.52	4.30	2.36	-	1.408
4	3	TiNi	100	6.78	3.91	2.51	-	1.799
5	4	A3	200	4.74	2.70	2.24	0.47	1.801
6	5	A3	100	8.64	5.45	2.53	0.49	2.635

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图  3  实验1云纹图

Figure  3.  The moire patterns of experiment 1

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图  4  挠度曲线

Figure  4.  The deflection curves

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2.1   TiNi合金板的横向冲击行为

子弹以一定速度和板发生碰撞后, 将向板内传入一道弯曲波和一道剪切波, 使板发生运动和变形, 同时向子弹内传入一道压缩波, 使子弹的运动速度减小。由于剪切波的幅值比较小, 板的变形主要由弯曲波引起。子弹和板的响应以及碰撞点的接触状态, 取决于波在子弹和板内的传播和作用。

图 5是实验1测得的5 ms内的应变波形, 仔细观察该记录波形, 可见如下特征:(1)AB两侧1、2、3和4处对称粘贴的应变波形呈现对称结构, 只是应变幅值上稍有差别, 表明主要呈现动态弯曲响应。(2)所有波形均叠加周期约77 μs的高频震荡, 该周期和波在子弹中往返一次的时间基本相同, 说明这种高频振荡是由于波在子弹中传播所致。(3)从空间分布看, 2、3和4处的应变信号比较小(小于0.002), 远低于相变临界应变0.007 5, 可以推测整个冲击过程中, 离板中心30 mm以外的区域都处于弹性状态, 并没有发生相变。中心A₀处最大应变信号远超过相变临界应变, A₁₂信号则略高于相变临界应变, 说明相变区分布可能略大于5 mm以内。(4)从时域过程看, 尽管板内波系复杂, 按A₀处的应变信号可以把冲击过程板的动态结构响应划分为3个阶段:阶段1(0~1.24 ms)为加载段, A₀应变信号呈现总体上升态势, 阶段2(1.24~2.36 ms)为卸载段, A₀应变信号呈现总体下降态势, 其中1.80 ms后应变信号的波动增加由板和子弹再次撞击产生, 阶段3(2.36 ms后)为自由振动段, A₀的应变信号呈现周期性的变化。

图  5  实验1中测得的应变波形

Figure  5.  Strain wave profiles of experiment 1

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我们进一步分析加载段的响应, A₀在约1.24 ms时径向应变达到最大值为0.022 8, A侧1处应变最大值仅为0.006 7, 时间略有延迟。可以看出, 弯曲波自中心向外传播, 由于二维效应沿径向迅速衰减。由于冲击过程中板内波系比较复杂且相互作用, 弯曲波自中心向外传播的过程中, 很难保证不受干扰, 实验中2、3和4处的应变信号则是波系综合作用的结果。

图 6是0.2 ms内的应变波形, 可见每个应变信号头部均出现正负交替变化, 而且幅值逐渐增大, 周期逐渐变长, 这正反映了弯曲波的弥散特性。利用实验测得的材料参数, 可以计算TiNi合金弹性弯曲波头波速为1 783 m/s^[9]。根据图 6中A₀与A₂₁、A₂₁与A₃₁、A₃₁与A₄₁的起跳时间, 可以得到3个区段内弯曲波速c₀₂、c₂₃和c₃₄分别为1 739、1 732和1 698 m/s, 似乎有下降趋势, 平均为1 723 m/s, 略小于理论波速, 基本相符。弯曲波从碰撞中心至板的边界往返一次约100 μs, 一般往返3~5次后(约0.3~0.5 ms, 对应于图 5(a)中的点S), 可以认为试件从波动响应为主过渡到以动态结构响应为主, 即点S把板的响应时域划分为波动响应阶段和结构响应阶段。有趣的是, 紧跟点S后波形有一个明显跌落, 意味着子弹和靶板有短暂分离。图 7是高速CCD1记录得到的子弹位移和速度曲线, 相应时刻(0.5~0.8 ms)子弹速度变化很小, 也说明两者有短暂脱离。

图  6  局部应变波形

Figure  6.  Local strain wave profiles

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图  7  实验1子弹的位移和速度

Figure  7.  Displacement and velocity of bullet in expriment 1

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由于板内材料处于复杂应力状态, 仅凭径向或环向应变无法判断材料是否发生相变, 我们采用等效应变观察^[10-11]。图 8是A₀以及AB两侧1处3 ms内的等效应变图, 可以看出:(1)在0.260 ms(点a)时, A₀处的等效应变首次超过相变临界应变, 表明A侧中心表层材料开始发生奥氏体至马氏体的转变。由于子弹和板短暂脱离, 0.5 ms左右应变下降, 到0.854 ms时(点b), A₀处的等效应变值再次超过0.007 5, 表明中心材料重新进入相变状态。随后板在子弹推动下, A侧A₀和1处的等效应变均呈上升趋势, 表明相边界自中心向外传播。在1.256 ms时, A侧1处的等效应变最大值为0.007 9, 超过相变临界应变, 说明A侧相变区已经传播到距中心5 mm处, 由此可以初略的算出撞击下薄板的相变区(相边界)平均传播速度为约12.4 m/s。(2)B侧1处等效应变最大值仅为0.005, 表明还未发生相变, 两侧相变区呈现非对称性, 拉伸侧大于压缩侧, 这是由于材料的拉压不对称性以及局部膜力导致的。(3)A₀处的等效应变最大值为0.018(点d), 而1处仅为0.007 9, 可见由于板的二维效应幅值有很大的衰减。(4)1.092 ms(点c)时, A₀处的等效应变达到0.015, 超过2倍等效相变临界应变, 表明在A侧中心处形成了相变铰^[8], 相变铰区将承受主要变形和吸能作用。

图  8  等效应变

Figure  8.  Equivalent strain

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卸载段持续的时间为约1.10 ms, 和加载时间基本持平。卸载过程中板推动子弹向回运动, 子弹有一个反向加速的过程。由图 8, A₀和A、B两侧1处的应变减小, 相变区收缩。1.325 ms(点e)时, A₀处的等效应变开始低于0.015, A侧中心区的相变铰消失, 相变铰存在的时间为约0.24 ms。1.650 ms时, A₀处的等效应变小于等效逆相变完成应变0.002 6, 表明逆相变完成, 板处于纯奥氏体相。2.34 ms后, 卸载完成, 整个板进入自由振动状态。

2.2   钢板的横向冲击行为

钢板试件上贴有8个应变片, 1、2和3处离板中心的距离分别为5、45和85 mm, 应变片命名规则以及测量方法和TiNi合金板相同。

图 9是实验5记录的应变波形, 比TiNi板波形平滑, A、B两侧相同位置处的应变波形基本对称, A侧幅值稍大, 两侧环向应变明显大于径向应变。两侧2和3处的径向应变比较小(小于0.002), 可推测2和3处仍处于弹性状态。子弹冲击钢板的动态响应过程也可以分为3个阶段, 加载段(0~0.894 ms)、卸载段(0.894~1.865 ms)和自由振动段(1.865 ms后), 如图 10所示。

图  9  实验5中测到的应变波形

Figure  9.  Strain wave profiles of expriment 5

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图  10  等效应变

Figure  10.  Equivalent strain

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图 10给出了钢板A、B两侧1处3 ms内等效应变随时间变化曲线, 可以看出, 从约0.5 ms开始, A侧的应变开始比B侧的大, 这主要是由于该处的膜力较大所致。0.894 ms时, A、B两侧等效应变达到最大值分别为0.005 7和0.004 6, 远大于临界塑性等效应变, 可推测加载过程中板中心形成塑性区的半径超过5 mm, 塑性区一旦形成, 它将承担板中主要的变形和能量的吸收。在0.5 ms左右, 1处应变突然下降, 是由于子弹和板有短暂脱离造成的。

卸载阶段持续时间为0.971 ms, 比加载时间略长。到1.865 ms时, 卸载过程结束, 此时A、B两侧1处的残余等效应变分别为0.003 4和0.002 6, 形成永久塑性区, 可推测塑性区的半径不小于5 mm。1.865 ms后, 从高速CCD1的图像可以看出, 子弹和板已经完全脱离, 板处于自由振动状态。回收样品具有残余桡度, 见表 1。

3.   结论与讨论

对处于伪弹性状态TiNi合金圆薄板和圆薄钢板, 在相同约束条件下进行了横向冲击实验, 并对比了两种材料板的动态响应, 结果表明:

(1) 冲击加载条件下, TiNi合金板的早期响应以弯曲波传播的波动响应为主, 弯曲波在板内往复传播3~5次(约0.5 ms)后, 板逐渐过渡到以整体结构响应为主。

(2) 相变首先发生在撞击点附近的中心区域并形成相变铰, 相变区以及相变铰区具有明显的可回复性并承担了大部分的变形和能量吸收。钢板中心区域进入塑性状态并形成塑性铰区。冲击完成后TiNi试件没有残余变形, 而钢试件明显存在残余应变。TiNi合金固支圆薄板的响应特性受其热弹性马氏体相变和逆相变支配, 与钢试件的弹塑性行为有根本的不同。

(3) 从实验结果看, 钢试件的吸能效率优于TiNi合金试件, 这是由于TiNi材料弹性模量比钢低而相变临界应力远大于钢的屈服应力, 使在相同撞击条件下TiNi合金板中心的最大挠度比钢板大, TiNi试件相变区的范围远小于钢试件塑性区的范围。