形狀記憶合金性能及結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用綜述

黎曉達(dá) 黃海帆

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

0 引言

自1932年瑞典科學(xué)家?jiàn)W蘭德首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)形狀記憶合金的研究已經(jīng)持續(xù)了近百年。隨著研究的深入，作為一種新型智能材料，形狀記憶合金特有的超彈性和形狀記憶效應(yīng)等特性逐漸被人們所認(rèn)知。將形狀記憶合金的特性應(yīng)用土木工程中，能夠有效改善結(jié)構(gòu)的受力情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、變形具有一定程度上的抑制和主動(dòng)修復(fù)的作用。

1 形狀記憶合金分類(lèi)

目前被廣泛應(yīng)用的形狀記憶合金主要有NiTi基、Cu基和Fe基三大類(lèi)。這之中NiTi形狀記憶合金具有最優(yōu)秀的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，被廣泛應(yīng)用于航天航空和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但是其生產(chǎn)成本較高，較Cu基和Fe基的更為昂貴，難以推廣；對(duì)比之下Cu基形狀記憶合金價(jià)格較為低廉，其價(jià)格約為NiTi形狀記憶合金的十分之一，但是其綜合力學(xué)性能較差并且形狀記憶效應(yīng)不穩(wěn)定。與NiTi基、Cu基形狀記憶合金相比，F(xiàn)e基的成本低廉，并且具有較高的強(qiáng)度和較好的形狀記憶效應(yīng)，同時(shí)焊接性能較好，與土木行業(yè)實(shí)際需求相性良好，在土木工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

2 形狀記憶合金主要性質(zhì)

形狀記憶效應(yīng)和超彈性是形狀記憶合金區(qū)別于一般材料最重要的兩種性質(zhì)，其本質(zhì)都是形狀記憶合金內(nèi)部?jī)煞N晶體形態(tài)，即馬氏體和奧氏體相互轉(zhuǎn)變?cè)诤暧^(guān)上的具體表現(xiàn)，其中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程稱(chēng)為馬氏體相變，而馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過(guò)程稱(chēng)為馬氏體逆相變。馬氏體穩(wěn)定存在于相對(duì)低溫的環(huán)境中，其存在馬氏體開(kāi)始和結(jié)束溫度兩個(gè)溫度點(diǎn)，分別為Ms和Mf，而奧氏體則更適應(yīng)于相對(duì)高溫的環(huán)境中，并且存在奧氏體開(kāi)始和結(jié)束兩個(gè)溫度點(diǎn)，分別為As和Af。一般情況下，四個(gè)溫度點(diǎn)滿(mǎn)足Mf＜Ms＜As＜Af的關(guān)系。

2.1 形狀記憶效應(yīng)

若在形狀記憶合金處于奧氏體，環(huán)境溫度位于Ms與As之間時(shí)對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行拉伸，應(yīng)力的存在會(huì)驅(qū)使奧氏體發(fā)生馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這部分馬氏體在卸載后會(huì)保留下來(lái)同時(shí)伴隨著宏觀(guān)上的殘余變形。當(dāng)將帶有殘余變形的形狀記憶合金加熱至奧氏體開(kāi)始溫度As時(shí)，馬氏體便會(huì)發(fā)生馬氏體逆相變重新轉(zhuǎn)變成為奧氏體，并且隨著馬氏體逆相變的進(jìn)行殘余變形會(huì)逐漸恢復(fù)，直至馬氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，殘余變形完全恢復(fù)。這種能夠完全恢復(fù)殘余變形的能力即為形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)。

2.2 超彈性

當(dāng)在形狀記憶合金所處的溫度高于奧氏體開(kāi)始溫度As的條件下，對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行加載，在加載過(guò)程中由于應(yīng)力作用奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是由于環(huán)境溫度較高，該部分由應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體無(wú)法穩(wěn)定存在，因此在卸載過(guò)程中，隨著應(yīng)力的逐漸下降，馬氏體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體同時(shí)恢復(fù)其在拉伸發(fā)生的變形。這種在卸載后就能完全恢復(fù)變形的能力即為形狀記憶合金的超彈性。

3 形狀記憶合金相變性能改善

形狀記憶合金的兩種主要性質(zhì)--形狀記憶效應(yīng)和超彈性都是通過(guò)合金內(nèi)部的相變變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而在加工過(guò)程中通常都會(huì)對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行冷拉處理，而冷拉的過(guò)程會(huì)拉長(zhǎng)合金內(nèi)部的晶格，使其產(chǎn)生位錯(cuò)和內(nèi)部缺陷。這些內(nèi)部晶格的畸變會(huì)阻礙相變過(guò)程的順利進(jìn)行，使得外界的溫度或者應(yīng)力作用無(wú)法順利轉(zhuǎn)化為消除阻礙和馬氏體相變所需要的驅(qū)動(dòng)力，致使形狀記憶合金失去相變能力，嚴(yán)重影響其使用效果。此時(shí)需要對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行熱處理，改善其形狀記憶效應(yīng)和超彈性，以更有效地利用形狀記憶合金的特性。

3.1 完全退火處理

當(dāng)形狀記憶合金經(jīng)過(guò)冷拉加工而未經(jīng)退火處理時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 退火前形狀記憶合金應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

由圖1可知，形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在加載過(guò)程中單調(diào)增長(zhǎng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的相變變化；同時(shí)它的極限應(yīng)變僅為14%，遠(yuǎn)小于一般形狀記憶合金的極限應(yīng)變，同時(shí)其極限強(qiáng)度較高，約為1400MPa，表現(xiàn)出明顯的冷作硬化特征。這樣的形狀記憶合金由于沒(méi)有出現(xiàn)相變過(guò)程，失去了其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，因此無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際工程。為了改善形狀記憶合金的相變性能，需要對(duì)其進(jìn)行完全退火處理。使用馬弗爐對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行退火處理，采用的退火條件為900℃環(huán)境恒溫20min，然后取出自然冷卻至室溫。在進(jìn)行完全退火處理后，再對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 退火后形狀記憶合金應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

可以發(fā)現(xiàn)對(duì)比退火前，形狀記憶合金的強(qiáng)度由1400MPa降低到900MPa，同時(shí)極限應(yīng)變由14%增大到35%，并且在應(yīng)力約為550MPa時(shí)出現(xiàn)了類(lèi)似于屈服段的相變平臺(tái)，說(shuō)明其內(nèi)部重新出現(xiàn)了相變變化，表明形狀記憶效應(yīng)和超彈性得到改善，可以應(yīng)用于實(shí)際工程。

3.2 DSC測(cè)試

由于形狀記憶合金發(fā)生相變變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)吸熱放熱反應(yīng)，而DSC測(cè)試可以測(cè)出材料在升降溫過(guò)程中吸熱放熱的數(shù)值，因此可以通過(guò)DSC測(cè)試進(jìn)一步確定形狀記憶合金內(nèi)是否發(fā)生了相變變化。退火后形狀記憶合金的DSC測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 退火后形狀記憶合金DSC測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，在溫度約為-14℃時(shí)曲線(xiàn)上出現(xiàn)了較大的熱流變化，這說(shuō)明在該位置形狀記憶合金內(nèi)部出現(xiàn)了吸熱放熱的現(xiàn)象，說(shuō)明其出現(xiàn)了相變變化，即表明形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性得到了改善，能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中。

4 形狀記憶合金在混凝土加固中的應(yīng)用

基于形狀記憶合金的兩種特性，其在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方向，即分別是利用形狀記憶效應(yīng)和超彈性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修復(fù)。

4.1 基于形狀記憶合金的預(yù)應(yīng)力加固

由于形狀記憶效應(yīng)的存在，對(duì)預(yù)拉伸的形狀記憶合金進(jìn)行加熱，可以恢復(fù)其在預(yù)拉伸階段發(fā)生的形變。如果在加熱時(shí)形狀記憶合金兩端錨固，則形狀記憶合金會(huì)因?yàn)闊o(wú)法發(fā)生形變進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的回復(fù)力。此時(shí)若將形狀記憶合金兩端錨固在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上再對(duì)其進(jìn)行熱激勵(lì)，便可以通過(guò)形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的回復(fù)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固或者修復(fù)結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫。

對(duì)預(yù)變形后的形狀記憶合金絲進(jìn)行熱激勵(lì)，使其溫度到達(dá)奧氏體完成溫度，其產(chǎn)生的回復(fù)力運(yùn)用于混凝土的預(yù)應(yīng)力加固中具有巨大優(yōu)勢(shì)。胡美玲[1]通過(guò)使用NiTiNb形狀記憶合金對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固，試驗(yàn)采用了不同數(shù)量的形狀記憶合金，同時(shí)對(duì)比了激發(fā)與不激發(fā)形狀記憶效應(yīng)的加固效果，發(fā)現(xiàn)通過(guò)激發(fā)形狀記憶效應(yīng)可以有效減小梁的撓度，同時(shí)對(duì)梁的承載能力也有一定的提高。王俊君[2]利用NiTi形狀記憶合金對(duì)混凝土梁進(jìn)行裂縫修復(fù)，發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)能在一定程度上提高混凝土梁的開(kāi)裂荷載，同時(shí)還能對(duì)加載過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫實(shí)現(xiàn)有效修復(fù)。崔迪[3]將形狀記憶合金絞線(xiàn)作為主筋埋入混凝土梁中，由于SMA的形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，加固梁的變形，裂縫開(kāi)展和極限承載力均有增加。Czaderski[4]和Hong[5]通過(guò)使用鐵基的形狀記憶合金對(duì)混凝土梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固，激勵(lì)后的形狀記憶合金能產(chǎn)生大量的回復(fù)力（250～400MPa），能應(yīng)用于混凝土的預(yù)應(yīng)力加固中。王文煒[6]使用CFRP與形狀記憶合金對(duì)混凝土梁進(jìn)行復(fù)合加固，通過(guò)通電升溫的方式使形狀記憶合金絲回復(fù)，從而將預(yù)應(yīng)力引入CFRP片材中，使用復(fù)合加固技術(shù)后，加固梁的開(kāi)裂，屈服荷載有顯著的提升，同時(shí)剛度也得到了提高。

4.2 超彈性的應(yīng)用

具有超彈性的形狀記憶合金在承受荷載發(fā)生形變之后，隨著卸載過(guò)程的進(jìn)行其形變也會(huì)逐漸恢復(fù)而不會(huì)有殘余變形。因此超彈性形狀記憶合金常被應(yīng)用于制作阻尼器以耗散結(jié)構(gòu)在承載過(guò)程中外部輸入的能量，減小結(jié)構(gòu)承載后的殘余變形。同時(shí)，超彈性產(chǎn)生的被動(dòng)壓力也可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的被動(dòng)加固。

程光明[7]將具有超彈性的形狀記憶合金應(yīng)用在連梁系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)在對(duì)連梁進(jìn)行往復(fù)加載時(shí)，超彈性形狀記憶合金能有效增大結(jié)構(gòu)的耗能能力，減小加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形，同時(shí)超彈性的存在使得結(jié)構(gòu)在卸載后變形會(huì)逐漸回復(fù)，不過(guò)隨著加載次數(shù)的增多形狀記憶合金的恢復(fù)能力會(huì)減弱，因此要及時(shí)對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行預(yù)緊。裴金召[8]利用超彈性形狀記憶合金取代框架節(jié)點(diǎn)位置的鋼筋，然后對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)加載，結(jié)果發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)獲得了一定的自復(fù)位能力，同時(shí)剛度下降速度較一般節(jié)點(diǎn)更慢，說(shuō)明超彈性的應(yīng)用一定程度上提高了節(jié)點(diǎn)的延性。任澤鵬[9]使用超彈性形狀記憶合金絲對(duì)混凝土柱進(jìn)行纏繞加固，試驗(yàn)設(shè)置了不同的形狀記憶合金預(yù)變形量、形狀記憶合金用量和柱的軸壓比，發(fā)現(xiàn)超彈性形狀記憶合金的用量增大能有效改善柱的力學(xué)性能，提高其承載能力，同時(shí)改變了破壞模式，由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的回復(fù)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固具有巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力。使用形狀記憶合金加固后，加固結(jié)構(gòu)的變形和裂縫有很好的抑制作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)的承載力和剛度顯著提高。然而形狀記憶合金在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于環(huán)境條件的限制，難免會(huì)碰到形狀記憶合金退火不完全或者沒(méi)有經(jīng)過(guò)退火處理的情況。改善其熱處理方式，對(duì)其進(jìn)行完全退火處理，能改善形狀記憶合金的具體性能，這為工程提供了具有實(shí)際意義的參考。