摘 要

大量的研究表明，形状记忆合金具有独特的超弹性性能，能够在外力作用下具有高于普通金属的变形恢复能力，即卸载后能够恢复很大一部分形变。在土木工程领域，可以考虑将形状记忆合金用于混凝土结构的增强。当地震等自然灾害发生，结构受到振动作用时，这种内含有形状记忆合金的构件可以吸收和耗散较大部分的能量，并且在灾后可以利用形状记忆合金的功能特性使结构的自我诊断成为可能。

数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）技术基于不同加载水平下数码相机捕获的典型区域序列图像的比较。这种方法可以较为准确的得出全场应变和位移。被广泛应用于混凝土结构测量中，包括全尺寸钢筋和预应力混凝土构件裂缝检测和性能分析。

本文针对柱状晶组织具有高超弹性应变恢复和能量吸收能力，以柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金为增强材料应用于结构领域中的混凝土构件优化设计中，使混凝土在震动和破坏后具有自修复能力，并采用DIC技术对其力学行为进行分析，结果表明：

1. 在SMA-ECC梁在四点弯曲累加循环荷载作用下，y方向位移随着循环荷载的增加而增加，在卸载后均有明显的位移恢复，在达到极限承载力的荷载循环中位移恢复率达到67%，最高可达74%左右，高于钢混梁的恢复率水平。
2. 通过对裂纹宽度变化的分析，SMA-ECC在累加循环荷载作用下裂纹宽度恢复率可达70%以上，高于ST-ECC梁（20%-30%）。相比较普通钢混梁，SMA-ECC增强梁具有更好的变形恢复能力和裂纹闭合能力，能更有效的延缓混凝土构件的断裂。

关键词:Cu-Al-Mn；形状记忆合金；自修复混凝土；数字图像相关技术

Abstract

A large number of studies have shown that shape memory alloys have unique superelastic properties.And they also have higher deformation recovery capabilities than ordinary metals under external forces, which means they can recover a large part of the deformation after unloading. In the field of civil engineering, shape memory alloys can be considered for the reinforcement of concrete structures. When a natural disaster such as an earthquake occurs and the structure is subjected to vibrations, the part containing the shape memory alloy can absorb and dissipate a large part of the energy.And after the disaster ,the functional properties of shape memory alloy can be used to make the structure of self-diagnosis possible.

Digital Image Correlation (DIC) technology is based on the comparison of typical region sequence images captured by digital cameras at different loading levels. This method can be more accurate to get the whole field strain and displacement. And it is widely used in the measurement of concrete structures, including the crack detection and performance analysis of full-size reinforced concrete and prestressed concrete components.

In consideration of the superelastic strain recovery and energy absorption capacity of columnar crystals,in this paper,columnar crystal Cu-Al-Mn shape memory alloys are used as reinforcing materials in the optimization design of concrete structures,to make the concrete self-repairing after vibration and damage.And DIC technology will be used to analyze its mechanical behavior, the results show that:

1. In the SMA-ECC beam subjected to four-point bending cumulative cyclic loading, the y-direction displacement increases with the increase of the cyclic load, and there is significant displacement recovery after unloading. After reaching the ultimate load-carrying capacity, the displacement recovery rate reached 67%, and the highest level was about 74%, which was higher than the recovery rate of steel-concrete beam.
2. By analyzing the change of crack width, the recovery rate of crack width of SMA-ECC under cumulative cyclic loading can reach more than 70%，which is higher than ST-ECC beam (20%-30%). Compared with ordinary steel-concrete beams, SMA-ECC reinforced beams have better deformation recovery ability and crack closure ability, and they can effectively delay the fracture of concrete components.

Key Words: Cu-Al-Mn; shape memory alloy; self-healing concrete; digital image correlation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和目的意义 1

1.2 形状记忆合金的主要特性以及研究现状 2

1.3 形状记忆合金增强混凝土构件的实际应用 4

1.4数字图像相关技术及其在混凝土研究中的应用 6

1.4.1 数字图像相关技术的发展现状 6

1.4.2 数字图像相关技术在混凝土研究中的应用 6

第2章 研究内容和技术路线 8

2.1 研究内容 8

2.1.1 Cu-Al-Mn形状记忆合金增强混凝土梁设计与制作 8

2.1.2 Cu-Al-Mn形状记忆合金增强混凝土梁全场应变分析 8

2.2 技术路线 8

第3章 Cu-Al-MnSMA增强混凝土梁的制作 10

3.1 柱状晶Cu-Al-MnSMA的制备 10

3.2 柱状晶Cu-Al-Mn合金增强混凝土的制作 11

3.2.1 Cu-Al-MnSMA增强混凝土的设计 11

3.2.2 Cu-Al-MnSMA增强混凝土的制作 13

3.3本章小结 15

第4章 SMA增强混凝土梁全场应变分析 16

4.1实验前试样表面散斑处理以及实验仪器调试 16

4.1.1 散斑处理 16

4.1.2 实验设备调试 17

4.2 Cu-Al-MnSMA增强混凝土梁受弯性能全场应变试验方法 18

4.3 Cu-Al-MnSMA增强混凝土梁全场应变分析 19

4.3.1普通钢筋混凝土的全场应变分析 19

4.3.2 Cu-Al-MnSMA增强混凝土梁的全场应变分析 23

4.4 Cu-Al-Mn 形状记忆合金增强混凝土梁的性能分析 27

4.5 本章小结 27

第五章 结论与展望 29

5.1 结论 29

5.2 展望 29

致 谢 30

参考文献 31

第1章 绪论

1.1 研究背景和目的意义

人们的生活和生产活动很大程度上需要依赖建筑物来进行，随着科技的发展，生产力的进步，人不仅对建筑物的功能要求越来越多，而且还要求建筑物在极端条件下足够安全，如地震、台风和海啸等等^[1]。这些极端自然灾害对建筑物的稳定构成了极大威胁，建筑结构的破坏坍塌也是对人类生命和财产安全破坏的主要原因。在道路桥梁领域，极端天气造成的道路桥梁破坏直接影响到了交通。灾难发生时，道路的切断对灾区的救援产生的打击是巨大的。在土木建筑领域，钢混结构应用极广。混凝土是一种十分重要的工程材料，具有取材方便，成本较小等优点，但缺点也较为明显，如抗拉强度低，自重大，修补困难等。当混凝土结构受到一定的外力冲击时，即使不发生断裂坍塌等破坏，也会大范围产生裂纹，不利于修复^[2]。在目前的建筑抗震设计中，核心思路是采取把工程结构对地震作用的硬抗变为疏导，使得建筑上部结构在地震荷载作用下产生的变形尽可能的减小，从而提高建筑物的安全性^[3]。如果将形状记忆合金用于工程结构的增强中，使在结构受到外界振动影响而出现变形、裂纹、损伤时，较大部分的能量都可被形状记忆合金吸收并耗散掉，从而使建筑物更加安全。在实际工程中最常见应用是将SMA安置于结构层间或底部等受地震力作用较大的区域，增强构件对地震能量的消耗能力^[4]。有关研究结果表明，采用用形状记忆合金作为构件的耗能器可吸收大约三分之二的地震能量。由于形状记忆合金优秀的吸能能力，SMA吸能装置现在被广泛应用于建筑结构和桥梁的设计中^[5]。

现阶段已经实际应用的合金主要有Ni-Ti基、Cu基和Fe基三种。其中Cu基形状记忆合金，如Cu-Al-Ni，Cu-Zn-Al和Cu-Al-Mn合金等，由于成本较低（不到Ni-Ti合金的1/10）且具有良好的导电和导热性能，已成为除Ni-Ti合金之外，较具应用前景的形状记忆合金^[6]。而其中Cu-Al-MnSMA因其优秀的热稳定性以及良好的力学性能，目前已经受到许多学者的重视。研究表明，采用定向凝固技术制作的柱状晶Cu-Al-MnSMA拥有轴向强织构和平直低能晶界的特性，对常规多晶铜基形状记忆合金变形协调能力差的问题进行了有效解决。并且柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性应变可高达10%，和单晶合金水平相近，拥有替代Ni-Ti合金的潜力^[7]。

数字图像相关(DIC)技术是一种非接触式光学-数值测量系统。基于不同加载水平下数码相机捕获的典型区域序列图像的比较，它能提供全场位移和应变的保证^[8]。因此，DIC技术优于传统的测量方法，如应变计的使用就要求其与试样表面直接接触，并且只提供点态测量。此外，传统的测量器在高度变形的情况下可能会与试样发生损伤或分离。因此，DIC技术被广泛应用于混凝土结构中，包括全尺寸钢筋和预应力混凝土构件的裂缝检测和性能分析^[9]。

针对柱状晶组织具有的高超弹性应变恢复和能量吸收能力，以柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金为增强构件作为研究对象，设计实验，采用DIC技术并对形状记忆合金增强构件在受弯时的挠度分布以及裂缝扩展情况等进行研究。

1.2 形状记忆合金的主要特性以及研究现状

形状记忆合金(SMA)，是一种加热后能够完全消除其在较低温度下发生的变形，恢复其变形前初始形状的合金材料^[10]。SMA在晶体学角度存在两种形态，分别是马氏体相和奥氏体相，而且SMA的这两种金属相是可以通过施加应力或者改变温度来互相转化的。马氏体相一般存在于低温，应变大但强度较低；奥氏体则存在于高温中，强度高应变小。由奥氏体相向马氏体相的转变，称为正马氏体相变，相反地，由马氏体相向奥氏体相的转变称为逆马氏体相变^[11]。SMA的马氏体和奥氏体的二相转化对其力学性能有着极其重要的影响。马氏体相易于变形，但通过升温变为奥氏体或卸载即可恢复初始形状；奥氏体相则拥有很强的恢复能力，当SMA发生变形时，可以保持很高的可以恢复初始形状的变形范围。马氏体相变是一种无扩散相变或者称位移型相变，是由于切位移而改变晶体结构的切变型相变，并且该相变是完全可逆的^[12]。

图1.1是马氏体温度相变示意图，图中、、、分别是正马氏体相变与逆马氏体相变的起始温度和结束温度。当形状记忆合金的温度在以下时，发生正马氏体相变，待温度低于后，SMA中只存在马氏体相；当温度升高时，发生逆马氏体相变，马氏体比例逐渐降低，直到大于的温度时可以恢复成和初始形状相同的奥氏体相。

形状记忆效应（SME）是指形状记忆合金在马氏体相时，受一定载荷发生塑性形变后，通过升温达到以上时诱导逆马氏体应变，使SMA恢复到初始母相形状的现象^[13]。当形状记忆合金温度低于时，在外力作用产生一定程度的应变后，应变不能完全恢复，只恢复弹性变形。此时使SMA升温到以上后，SMA则会自行还原至母相时的初始形状。图1.2为形状记忆效应的应力-应变-温度曲线示意图，如图中（1→2）过程所示，当SMA从T＞A降温至Tlt;M_f时，发生马氏体相变。在晶粒内会形成许多马氏体自协作变体群，由于其自协调效应导致形成晶粒产生的相变应变互相抵消，遂在宏观上并不会产生明显的形变。施加外力作用后（即2→3过程）， 马氏体变体组合起来，长成朝着某个特定方向的马氏体，此时在宏观上也会发生变形。当SMA温度低于时受外力形成的马氏体为非自协作马氏体，非自协作马氏体较为稳定，即使卸载后也不会恢复非弹性应变，如3→4的过程显示。当温度上升至以上时，发生从马氏体P向母相奥氏体M的恢复过程，如图中4→1显示。形状记忆效应也分为三种，SMA受力变形经过升温处理能从马氏体恢复到母相时的形状的被称为单程形状记忆效应（one way shape memory effect）；部分材料在保留单程形状记忆效应的同时，在冷却至以下时能恢复马氏体变形后的形状，这种性能被称为双程形状记忆效应（two way shape memory effect）；除以上两种外，还存在全程形状记忆效应。这些形状记忆效应的各阶段变形效果可以参考图1.3。大量研究表明，SMA的可恢复形变量高达8%，而且若SMA在恢复形变期间受到约束作用，将会产生800MPa左右的驱动应力。由于SMA独特的形状记忆效应，科研工作者对这类型的合金进行了大量的拓展研究^[14][15]。

图1.1 马氏体温度相变示意图

图 1.2 SME的应力-应变-温度曲线示意图

图 1.3 三种形状记忆效应示意图

SMA的另外一个重要特性是超弹性（也称伪弹性）。在形状记忆合金处于热平衡时，施加外力或改变SMA的温度可以诱发热弹性马氏体相变。但当SMA的温度大于时，马氏体与奥氏体之间的转化就只受应力影响。撤销应力之后，其引起的变形消失，这种非线性的应力应变关系被称为超弹性。图1.4为形状记忆合金超弹性具有代表性的应力应变曲线图。AB为弹性形变部分；B相当于，从B点开始马氏体变体开始长大，直到C点马氏体相变过程完全结束。在C’点卸掉外力之后，马氏体相首先开始弹性恢复过程。在F点时马氏体相开始向奥氏体相转变，在FG段马氏体变体比例逐渐减小，到G点为止完成马氏体相到奥氏体相的转化。GH段表示母相的弹性恢复过程。可以注意到应力为零时横轴并不在原点，说明卸载后存在一定残余应变AH。HI段则是卸载过程中除弹性弹性应变恢复以外恢复的部分，称为超弹性应变恢复。

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