铁磁形状记忆合金力磁耦合的各向异性模型研究

铁磁形状记忆合金（FSMA）是一种新型的功能材料。它除了具有传统的温控和应力控制记忆合金的一般特点外，还可以在磁场的作用下输出应变，极大地拓展了传统的形状记忆合金应用前景。由于其具有强铁磁性、大磁致伸缩、明显的形状记忆效应，响应频率接近压电陶瓷，输出应变与应力接近温控形状记忆合金等特点，所以FSMA在军工﹑航空航天等领域中非常具有发展潜力的功能材料。然而，到目前为止人们对FSMA力学特性的研究还属于初步探索阶段，对其本构特性认识还不够充分。本项目拟对FSMA在力、磁耦合场作用下的力学性能进行测试，观察相应的相变微结构特征，获得各种力学性能参数和微结构演化规律。进一步结合细观力学方法和热动力学原理，考虑材料的各向异性，提出能充分考虑材料微细观结构和磁力学路径影响的实用精确的FSMA力学本构模型，然后编写有限元程序进行数值模拟，并把该模型推广到复杂结构、复杂外场的情况。

铁磁形状记忆合金（FSMA）是一种新型的功能材料。它除了具有传统的温控和应力控制记忆合金的一般特点外，还可以在磁场的作用下输出应变，极大地拓展了传统的形状记忆合金应用前景。由于其具有强铁磁性、大磁致伸缩、明显的形状记忆效应，响应频率接近压电陶瓷，输出应变与应力接近温控形状记忆合金等特点，所以FSMA在军工﹑航空航天等领域中是非常具有发展潜力的功能材料。然而，到目前为止人们对FSMA力学特性的研究还属于初步探索阶段，对其本构特性认识还不够充分。本项目以单晶铁磁形状记忆合金Ni2MnGa为研究对象，测试试样的材料常数，分别沿FSMA试样晶轴的三个不同方向进行了单轴向压缩试验，测量了应力-应变曲线；力-磁耦合作用时，测量了不同方向的磁场强度-应变曲线。以单晶Ni2MnGa为研究对象，采用热力学方法推导了铁磁形状记忆合金在两轴向磁场作用下的力学本构模型，分析Ni2MnGa单晶试样在双向磁场作用下的非线性力学行为和滞后效应；以Ni2MnGa单晶压缩试验为基础，基于细观力学的理论和热力学原理，建立单晶铁磁形状记忆合金在应力作用下的本构模型；选取合适的内变量，并考虑单晶材料的各向异性，分析了铁磁形状记忆合金的各向异性相互作用能，并建立铁磁形状记忆合金各向异性本构关系。数值分析表明，Ni2MnGa单晶试样的力学行为呈现很强的各向异性；当磁场垂直于应力时，磁场方向的磁致应变要远小于应力方向的磁致应变；当磁场平行于应力时，磁场方向产生的磁致应变要小于垂直于磁场方向的应变；考虑基体的各向异性时，铁磁形状记忆合金的交互作用能及磁致应变的值均比近似各向同性基体时的值大，更接近于实验。所以本项目的模型可以很好地描述铁磁形状记忆合金的复杂的力学行为。