摘要： 為獲得高應(yīng)變率下不同初始相變溫度NiTi 合金的屈服應(yīng)力等基本物理特性和力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，采用10?3 s?1應(yīng)變率下準(zhǔn)靜態(tài)壓縮與拉伸、105 s?1 應(yīng)變率下準(zhǔn)等熵壓縮及107 s?1 應(yīng)變率下沖擊加載實(shí)現(xiàn)跨量級(jí)的不同應(yīng)變率加載，高應(yīng)變率加載實(shí)驗(yàn)中通過控制樣品初始溫度實(shí)現(xiàn)不同初始相態(tài)NiTi 合金的力學(xué)響應(yīng)測(cè)量。結(jié)果顯示，初始馬氏體相和初始奧氏體相NiTi 合金的準(zhǔn)靜態(tài)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線中均出現(xiàn)2 次模量變化，初始馬氏體相中的模量變化由晶體重定向和馬氏體相塑性變形引起，初始奧氏體相中的模量變化由馬氏體相變和相變后塑性變形引起。準(zhǔn)等熵加載下，初始馬氏體相NiTi 合金的Lagrangian 聲速隨粒子速度增大而增大，未觀察到間斷等非線性變化；而初始奧氏體相中聲速曲線存在間斷，聲速由初始橫波值間斷減小至體波聲速后再隨粒子速度線性增大。沖擊實(shí)驗(yàn)中，初始馬氏體相NiTi 合金后自由面速度約34 m/s 處出現(xiàn)雙波結(jié)構(gòu)，而將樣品初始溫度升至402 K 后再?zèng)_擊加載，則在約100 m/s 處出現(xiàn)雙波結(jié)構(gòu)，二者速度曲線拐點(diǎn)分別由馬氏體相彈塑性屈服和奧氏體相塑性屈服引起；在初始奧氏體相NiTi 合金沖擊實(shí)驗(yàn)中，在樣品后自由面速度達(dá)到220～260 m/s 時(shí)才出現(xiàn)顯著的奧氏體相彈塑性轉(zhuǎn)變。隨著應(yīng)變率從約105 s?1 升高至107 s?1，相同組分奧氏體相NiTi 合金的彈性極限由約2 GPa 增大至約4 GPa，107 s?1 應(yīng)變率下，隨著初始樣品溫度升至402 K，彈性極限降至1.7 GPa，表明NiTi 合金的彈性極限存在顯著的溫度和應(yīng)變率效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： NiTi 合金；奧氏體-馬氏體相變；相變溫度；高應(yīng)變率；彈性極限

中圖分類號(hào)： O346.4 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

NiTi 合金具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、高阻尼（吸能、減震）能力和生物相容性等優(yōu)異性能，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。近年來，隨著NiTi 合金應(yīng)用范圍的不斷拓展，其在部分應(yīng)用環(huán)境中可能遭受瞬態(tài)（微秒、納秒量級(jí)）動(dòng)態(tài)載荷加載，如NiTi 合金用于飛機(jī)的吸能器件、航天器機(jī)構(gòu)收縮重復(fù)動(dòng)作部件時(shí)，可能遭受平均速度為數(shù)千米每秒高速空間碎片的撞擊[2-3]；用于盔甲等防護(hù)系統(tǒng)[4-6] 時(shí)，可能受到子彈等的撞擊。雖然針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)加載下NiTi 合金的力學(xué)性能已有較多研究，但是由于慣性效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)，材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)特性、變形機(jī)理與準(zhǔn)靜態(tài)下存在顯著差異[7-9]。因此，開展高應(yīng)變率下NiTi合金的力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律研究具有迫切需求和重要價(jià)值。

NiTi 合金的形狀記憶效應(yīng)、偽彈性特性由其在一定應(yīng)力、溫度條件下發(fā)生奧氏體（austenite，B2）相與馬氏體（martensite，B19ˊ）相之間的轉(zhuǎn)變引起。NiTi 合金奧氏體-馬氏體相變對(duì)應(yīng)力狀態(tài)、溫度非常敏感[10]。在中、低應(yīng)變率加載下，隨著加載應(yīng)變率升高，由于變形等耗散生熱使馬氏體相變阻力增大，導(dǎo)致應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變壓力隨應(yīng)變率的升高而增大[11-12]。當(dāng)初始溫度達(dá)到臨界相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，變形物理機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，NiTi 合金在應(yīng)力加載后不再發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)奧氏體-馬氏體相變，而是發(fā)生母相奧氏體相的彈塑性變形[13-14]。準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明，馬氏體相NiTi 合金與奧氏體相NiTi 合金的屈服強(qiáng)度差異較大[15]，而高應(yīng)變率加載接近于絕熱過程，由于絕熱溫升以及材料變形的非瞬態(tài)響應(yīng)，必將影響材料的相變驅(qū)動(dòng)力、相變條件及塑性屈服條件等基本物性[9， 16-17]。鑒于NiTi 合金相態(tài)及其相應(yīng)力學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感性，解耦獲得不同初始相態(tài)在高應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度等對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)至關(guān)重要[18-19]。為此，本文中，通過控制樣品溫度實(shí)現(xiàn)材料初始相態(tài)改變，獲得高應(yīng)變率下不同初始相變溫度NiTi 合金屈服應(yīng)力等基本物理特性和力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，以期為完善NiTi 合金物理模型和NiTi 合金關(guān)鍵部件在極端環(huán)境下的安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)

1.1 樣品靜態(tài)性能表征

實(shí)驗(yàn)選擇了4 種不同初始相變溫度的近等原子比NiTi 合金。首先表征獲得了材料在常壓下的基本物性參數(shù)，其中相變溫度采用差熱分析測(cè)量，組分采用化學(xué)分析和氣體分析，聲速測(cè)量采用5 MHz 石英傳感器的超聲波測(cè)量?jī)x，相變溫度、組分等參數(shù)見表1。表中：TMs 為馬氏體相變起始溫度，TMf 為馬氏體相變結(jié)束溫度，TAs 為奧氏體相變起始溫度，TAf 為奧氏體相變結(jié)束溫度，cL0 為常壓下的縱波聲速，cs 為常壓下的橫波聲速。所選材料相變溫度均處于室溫附近，根據(jù)相變溫度，NiTi-1 在室溫（293 K）下完全處于馬氏體，NiTi-2、NiTi-3 和NiTi-4 在室溫下完全處于奧氏體。