形状记忆合金热-力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验和理论研究

The thermo-mechanical cyclic deformation, damage evolution and fatigue failure (including structure and function failures) of NiTi shape memory alloy (SMA) are investigated in this project by condiering the interaction between the super-elasticity and shape memory effects and the cyclic deformation, damage accumulation and fatigue failure. At first, a detailed macro- and micro-scopically experimental observation is performed to reveal the microstructure evolution of the NiTi alloy during the thermo-mechanical cyclic loading; and then combining the numerical simulations to the microstructure evolution obtained by molecular dynamics and transformation field method, the micromechanisms of cyclic deformation, damage evolution and fatigue failure are discussed; finally, the micromechanism-based cyclic constitutive model, damage law and fatigue failure model are constructed to describe the thermo-mechanical cyclic deformation and damage evolution and predict the fatigue life of NiTi shape memory alloy. The established models are the theoretical foundations to analyze the fatigue failure and reliability of NiTi SMA devices, and then prompt the application of the NiTi SMA and the development of transformation solid mechanics.

本项目针对镍钛形状记忆合金的热-力耦合循环变形行为、损伤演化和疲劳失效（包括结构疲劳和功能疲劳）行为，考虑超弹性和形状记忆效应与循环变形、损伤积累和疲劳失效间的相互作用，首先开展系统的宏微观实验研究，观察该类智能材料在热-力耦合循环加载过程中的微观结构演化特征，结合分子动力学模拟和相场分析方法对循环加载过程中微观结构演化的数值模拟，揭示其循环变形、损伤演化和疲劳失效行为的微观机理，进而建立基于微观机理的循环本构模型、损伤演化模型和疲劳失效模型，分别对镍钛形状记忆合金的热-力耦合循环变形行为和损伤演化进行理论描述并对该合金的疲劳失效寿命进行理论预测，为后续镍钛形状记忆合金器件的疲劳和可靠性分析提供坚实的理论基础，促进该智能材料更为广泛的工程应用，同时推进相变固体力学学科的发展。

镍钛形状记忆合金因其超弹性和形状记忆效应以及优良的生物相容性和耐磨性等，已广泛应用于众多工程领域，开展其热-力耦合循环本构关系和疲劳失效行为研究具有紧迫的工程需求；同时，因其特有的应力诱发相变行为、显著的内部热效应以及强烈的温度依赖性，形状记忆合金的力学响应呈现出强烈的非线性、非平衡和热-力耦合效应，其循环本构关系和疲劳行为研究必然涉及时空多尺度和多场耦合分析，也是固体力学研究的一个前沿问题，具有重要的学术价值和深远的科学意义，并富有挑战性。.本项目针对镍钛形状记忆合金的热-力耦合循环变形行为、损伤演化和疲劳失效（包括结构疲劳和功能疲劳）行为，考虑超弹性和形状记忆效应与循环变形、损伤积累和疲劳失效间的相互作用开展了如下研究内容：首先，开展了系统的宏微观实验研究，观察该类智能材料在热-力耦合循环加载过程中的微观结构演化特征；然后，结合分子动力学模拟和相场分析方法对循环加载过程中微观结构演化的数值模拟，揭示其循环变形、损伤演化和疲劳失效行为的微观机理；进而，建立了反映不同时间-空间尺度循环相变热-力耦合行为的时间和空间尺度律；最后，发展了基于微观机理的循环本构关系、损伤演化模型和疲劳失效模型，分别对镍钛形状记忆合金的热-力耦合循环变形行为和损伤演化进行理论描述，并对该合金的疲劳失效寿命进行理论预测。研究成果为后续镍钛形状记忆合金器件的疲劳和可靠性分析提供了坚实的理论基础，促进该智能材料更为广泛的工程应用，同时推进了相变固体力学学科的发展。.该项目顺利完成各项预定目标。目前已出版学术专著2部，发表期刊论文61篇（其中SCI论文51篇），会议论文5篇，授权发明专利1项、实用新型专利4项和软件著作权1项。培养博士后2人，毕业博士生7人，在读博士生8人，毕业硕士生4人。项目组成员参加国内外学术会议达46人次，组织国内国际学术会议4次。