铁磁形状记忆合金热-力-磁多场耦合循环变形行为的实验及本构模型研究

Besides the well-known super-elasticity and shape memory effect in the common shape memory alloys, ferromagnetic shape memory alloys can exhibit the high response frequency, and have broad engineering application prospect. In this project, the cyclic deformation properties of Ni2MnGa ferromagnetic shape memory alloy polycrystalline under thermo-mechanical-magneto multi-fields coupled conditions will be systematic investigated by the experiments. The physical mechanism of the functional degeneration during cyclic deformation and the related inelastic deformation mechanism will be proposed. Then, an irreversible thermodynamics framework considering the internal heat production will be developed. The thermo-mechanical-magneto multi-fields coupled cyclic constitute model will be constructed based on the experimental observations and the established irreversible thermodynamics framework. The reasonability of the proposed model will be verified by comparing the simulated and predicted results with the experimental ones. The research findings are an important development to cyclic constitutive relation of smart materials, the established models are the theoretical foundations for the design, safety assessment analysis and life prediction of ferromagnetic shape memory alloy devices.

铁磁形状记忆合金除了具备一般形状记忆合金的超弹性、形状记忆特性之外，还拥有高响应频率这一优点，具有广阔的应用前景。本项目拟对Ni2MnGa铁磁形状记忆合金多晶在热-力-磁多场耦合环境下的循环变形特性进行系统的实验研究，提出材料在循环变形过程中出现功能性劣化的物理机理，揭示与功能性劣化相关的非弹性变形机制，发展针对铁磁形状记忆合金考虑内部变形生热的不可逆热力学框架，建立热-力-磁多场耦合循环本构模型，通过对铁磁形状记忆合金在多场耦合环境下的循环变形特性进行模拟和预测，验证所提出模型的合理性。研究成果是对智能材料循环本构关系及其应用的重要拓展，为铁磁形状记忆合金器件设计、安全评估及寿命预测提供坚实的理论基础。

铁磁形状记忆合金是一类新型智能材料。它除了具备传统热致形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应外，还可以在磁场作用下产生巨大磁致应变，并且响应频率高，具有广泛的应用前景。本项目针对磁性形状记忆合金在多场耦合环境下的循环变形问题进行了实验和理论研究，取得的成果包括：（1）针对定向凝固NiMnGa磁性形状记忆合金，通过实验揭示了其在循环变形过程中出现的各向异性功能性退化现象，并测定了合金在循环变形过程中的弹热效应；（2）建立了宏观热-力-磁耦合循环本构模型，该模型能够对复杂应力、磁场条件下磁性形状记忆合金的磁致伸缩、温度、应力诱发马氏体相变、弹热和磁热效应合理描述；（3）通过考虑磁性形状记忆合金在微观尺度上的变形、磁化机理（马氏体相变、重定向、磁畴运动、磁化矢量旋转），在单晶尺度上建立了热-力-磁耦合细观本构模型，能够对NiMnGa合金单晶各向异性多场耦合变形行为进行合理描述；（4）进一步在单晶尺度上考虑5M，7M，NM三类马氏体相，提出了马氏体多步相变准则，建立了能够合理预测不同温度下相变路径的单晶本构模型；（5）发展了单晶尺度下多种时间相关、时间无关变形机制和热生成机制同时发生条件下从单晶到多晶过渡的自洽均匀化方法；（6）利用提出的单晶本构模型和新发展的自洽均匀化方法，建立了磁性形状记忆合金多晶本构模型，合理预测了织构/无织构多晶的各向异性/各向同性热-力-磁循环变形行为。