NiTi形狀記憶合金(SMA)具有類似于低碳鋼的Lüders變形行為。NiTi中的Lüders型變形發(fā)生在應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變或馬氏體重取向過程中。此時(shí)可以觀察到Lüders型變形具有上-下屈服，然后是應(yīng)力平臺(tái)，應(yīng)變跨度通常為5~7%。這種上-下屈服行為呈現(xiàn)出典型的力學(xué)失穩(wěn)狀態(tài)。NiTi形狀記憶合金具有與應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變相關(guān)的Lüders型變形行為。這種相變引起的Lüders變形與低碳鋼的位錯(cuò)相關(guān)Lüders變形呈現(xiàn)出不同的冶金機(jī)制。為了解釋這一現(xiàn)象，文獻(xiàn)中提出了許多假說。然而，所有這些解釋似乎都在某種程度上與一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)相矛盾。

來自西澳大學(xué)的學(xué)者對多晶NiTi合金中Lüders型變形的發(fā)生提出了一種新的解釋，并基于應(yīng)力誘導(dǎo)相變、試驗(yàn)機(jī)的十字頭運(yùn)動(dòng)和彈性收縮產(chǎn)生的樣品長度變化的守恒準(zhǔn)則，推導(dǎo)了一個(gè)模型。通過拉伸實(shí)驗(yàn)和數(shù)字圖像相關(guān)測量對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。新模型能夠描述Lüders型變形行為的上-下屈服現(xiàn)象和平臺(tái)應(yīng)力。相關(guān)文章以“A mechanical criterion for Lüders-type deformation of polycrystalline NiTi”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118604

圖1.樣品在Lüders型偽彈性拉伸變形的兩個(gè)不同階段的DIC ε_x應(yīng)變圖。(a) Lüders帶的產(chǎn)生。(B) Lüders帶的傳播階段。

圖2.NiTi的Lüders型形變現(xiàn)象。(a)30 mm長NiTi狗骨形試件在Lüders帶模式下的拉伸偽彈性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)(a)中虛線區(qū)域的放大圖，顯示Lüders變形開始時(shí)的應(yīng)力降細(xì)節(jié)。(c)在偽彈性變形循環(huán)期間，沿試件長度的兩個(gè)位置的局部應(yīng)變和DIC測量的全規(guī)長度上的全局應(yīng)變(平均應(yīng)變)的時(shí)間演變。(d)(c)中虛線區(qū)域的放大圖，顯示Lüders變形開始時(shí)奧氏體應(yīng)變松弛的詳細(xì)情況。(E) Lüders頻帶從一個(gè)時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展到下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的示意圖

圖3.基于DIC測量的Lüders帶起始和傳播的時(shí)間分辨應(yīng)變分析。(a)在Lüders帶形變的不同時(shí)間，沿樣品中心線的局部應(yīng)變分布。(b)與點(diǎn)“5”對應(yīng)的時(shí)間的樣本的軸向應(yīng)變ε_x圖的DIC圖像。 (c)Lüders帶外奧氏體彈性應(yīng)變在形成和擴(kuò)展過程中的變化。(d)Lüders帶的長度l_L和峰值應(yīng)變ε_L的演化。

圖4.模型模擬了NiTi的Lüders型變形的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為。(a)由Lüders帶δ_L產(chǎn)生的樣品延伸率與由試驗(yàn)機(jī)δ_m提供的延伸率之間的比較。(b)樣品的實(shí)驗(yàn)測量和模型計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較.

本研究對多晶NiTi中應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的Lüders型形變的發(fā)生提出了新的解釋。這一解釋是基于樣品尺寸變化的實(shí)時(shí)守恒準(zhǔn)則，這三個(gè)因素包括試驗(yàn)機(jī)施加的尺寸變化、由于Lüders帶的形成或膨脹而產(chǎn)生的尺寸變化以及樣品的彈性應(yīng)變收縮。根據(jù)這一準(zhǔn)則和提出的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

多晶NiTi的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的Lüders帶在一個(gè)較高的局部應(yīng)變率和較高的局部應(yīng)變率范圍內(nèi)突然啟動(dòng)，該應(yīng)變率可比典型拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)變率高一個(gè)數(shù)量級。這導(dǎo)致樣品延伸率快于測試機(jī)施加的延伸率。這導(dǎo)致樣品的彈性應(yīng)變收縮產(chǎn)生負(fù)的伸長率，以補(bǔ)償由測試機(jī)提供的伸長率不足。彈性應(yīng)變收縮引起的應(yīng)力降標(biāo)志著Lüders帶的開始。

基于試件延伸率實(shí)時(shí)守恒準(zhǔn)則，建立了帶實(shí)驗(yàn)輸入的數(shù)學(xué)模型。該模型能夠描述NiTi合金Lüderst型變形的全應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，包括初始應(yīng)力降和應(yīng)變降低，以及隨后的應(yīng)力平臺(tái)。復(fù)制的行為與實(shí)驗(yàn)測量完全匹配。根據(jù)這一準(zhǔn)則，在來自Lüders帶的樣品延伸率高于來自試驗(yàn)機(jī)的樣品延伸率的條件下，定義了Lüders型變形的初始上-下屈服行為。

基于伸長率守恒的模型描述了發(fā)生Lüders型變形的必要條件，但不是充分條件。其他因素可能會(huì)影響防止Lüders類型的變形行為，例如，金相和晶體織構(gòu)、高密度缺陷以及壓縮和剪切。