动态热力学环境下纳米晶NiTi形状记忆合金力学响应的相场计算分析及其微结构动力学机理研究

It has been experimentally demonstrated that there is apparent rate dependence in the dynamic mechanical characteristics of nanocrystalline NiTi shape memory alloy upon external thermo-mechanical loading. The complexity of the microstructure in nano-grained NiTi alloy has brought even more challenge to the study of this phenomenon. Therefore it is worth of the efforts to do microstructural dynamics studies on the underlying mechanism of the observed rate-dependent phenomena by taking the view that rate dependence is a result of direct competition between the speed of microstructure evolution and the speed of external loading. The fully coupled thermodynamic process will be considered as well. In this proposal we intend to develop a fully coupled phase field model to describe the microstructural evolution dynamics of nanocrystalline NiTi polycrystals by introducing the boundary temprature rate and the strain rate through the boundary condition functions. In the meanwhile we consider the microstructural characteristics of the nanocrystallites and the resultant grain-size effects. By conducting phase field analysis, we shall be able to understand the microstructural dynamics during the phase transformation between Austenite and Martensite; reproduce the competition between the microstructural evolution speed and the speed of the applied load; demonstrate the effect of the nano-scaled microstructure on the dynamic macroscopic behavior of the material; and eventually develop the underlying microstructural mechanism of the observed rate-dependent mechanical characteristics of nanocrystalline NiTi alloys.

实验研究显示，纳米晶NiTi合金的力学性能对外界热-机加载速率具有较强的敏感性。而纳米多晶的复杂微结构给对这一问题的研究带来了新的挑战。从晶体微结构相变动力学的角度出发来分析材料的宏观动态力学特性，将热-机加载速率相关性视为微结构演化速度与热-机加载速率竞争的结果，同时考虑热力学全场耦合过程，通过计算分析做出对该问题的机理性解释，将具有十分重要的科研价值。本课题拟建立描述NiTi纳米多晶微结构动力学演化过程的热力学全场耦合相场分析模型，通过边界值条件引入热-机加载速率的参与，同时考虑晶界层的微结构特征及其衍生的尺寸效应。通过理论数值分析，掌握动态热力学加载环境下马氏体-奥氏体晶体相变过程的时空规律和分布特征；再现晶体微结构动力学演化速度与热-机加载速率间的竞争关系；获得微结构特征对宏观动态力学特性的影响规律；最终揭示纳米晶NiTi合金动态力学特性与热-机加载速率相关性的微结构动力学机理。

本课题针对纳米晶NiTi合金在动态热力学环境下的力学行为及其微结构动力学机理开展了相场数值分析研究。从晶体微结构相变动力学的角度出发来分析材料的宏观动态力学特性，将热-机加载速率相关性视为微结构演化速度与热-机加载速率竞争的结果，通过计算分析做出对该问题的机理性解释。通过研究建立并发展了描述NiTi形状记忆合金微结构动力学演化过程的相场分析模型，通过边界值条件引入热-机加载速率的参与。通过理论数值分析，掌握了动态热力学加载环境下马氏体-奥氏体晶体相变过程的时空规律和分布特征；再现了晶体微结构动力学演化速度与热-机加载速率间的竞争关系；获得了微结构特征对宏观动态力学特性的影响规律。同时本研究中还对连带的晶粒尺寸效应进行了深入探讨。在本项目的执行过程中，课题研究小组解决了相场模型中热机加载速率的引入、动力学参数的确定、数值模型的选取等几个关键性问题。通过数值分析以及与实验数据的比较研究最终揭示了纳米晶NiTi合金动态力学特性与热-机加载速率相关性的微结构动力学机理，为针对该类材料与结构的功能设计提供了科学依据。研究表明，纳米晶NiTi合金的晶体微结构演化过程对其宏观力学行为有着重要的影响。在低温退孪晶过程中，马氏体变体的持续重定向过程造成了应力卸载过程中的非线性现象；拉、压载荷作用下微结构演化的不同产物将导致材料宏观力学行为的拉-压不对称；外界动态热力学加载与材料微结构演化的竞争关系影响材料宏观形状记忆效应和超弹性应力-应变关系并导致对应变率的依赖性。此外，晶粒间的纳米晶界层有着十分重要的作用。由于纳米晶界层的局部热力学特性的特异性导致了其本征和非本征效应对材料宏观力学行为的影响。同时，纳米晶界层还衍生出材料力学性能的晶粒尺寸效应。