1. 研究目的与意义（文献综述）

形状记忆合金通过外界的刺激改变一定的形状之后，一旦去除外界对合金的刺激，可以恢复到原来的形状。它是一种智能型功能材料，它集感知与驱动功能于一体，可以制成传感器、探测器、阻尼器件、能量转换器以及智能微型装置等，在电子通信、医疗卫生、机械制造、航空航天、能源化工、土木建筑以及日常生活等众多领域具有广泛的用途。在目前已得到实际应用的三大形状记忆合金体系（ni-ti基、cu基和fe基合金）中，cu基形状记忆合金，如cu-al-ni，cu-zn-al和cu-al-mn合金等，由于具有价格低廉（不到ni-ti合金的1/10）、良好的导电和导热性能、相变温度可调范围广、工作温度较高等优点，已成为除ni-ti合金之外，较具应用前景的形状记忆合金。新型cu-al-mn形状记忆合金，由于其良好的热稳定性和优良的力学性能，近年来正受到越来越多研究者的关注，成为cu基形状记忆合金的又一研究热点。柱状晶cu-al-mn形状记忆合金具有这么高的超弹性应变，使合金可以应用于抗震、抗冲击和自愈合应用中。

形状记忆合金有两个最基本的特性：超弹性（se）和形状记忆效应（sme）。在此基础上，前期研究表明采用定向凝固方法制备的具有轴向强lt;001gt;织构和平直低能晶界特征的柱状晶cu-al-mn形状记忆合金，解决了普通多晶组织cu基形状记忆合金由于变形协调能力差，易发生晶间断裂而导致记忆性能差，限制了合金的广泛应用的问题。该合金的超弹性应变可达到10%以上，达到单晶合金水平，具有替代ni-ti合金的潜力。

因此，柱状晶cu-al-mn形状记忆合金在具有超弹性的同时由于定向凝固也就具有了显著的各向异性，其性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出明显的差异。为了掌握其超弹性各向异性的性质以及在复杂应力状态下的应用，单纯靠实验方法很难表征所有应用状态下的力学行为。数值计算仿真可以在一定程度上解决复杂的力学行为分析，这里拟使用abaqus进行有限元分析（fea，finiteelement analysis）。

2. 研究的基本内容与方案

（1）通过定向凝固技术制备出较好的柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金。对合金的组织结构、拉伸超弹性各向异性性能进行测试，获得基本参数，

（2）利用超弹性各向异的基本数据建立起合金的超弹性各向异性力学模型，并采用有限元软件模拟计算在一些应用需要的较复杂应变（如多种拉压组合的循环、复杂应变路径等情况）下的力学行为。

2.2研究目标

针对柱状晶组织具有高的超弹性应变的现象，以单项拉伸数据为基础，采用力学本构模拟的方法，建立起合金的本构模型，模拟合金在复杂应变下的力学行为，为合金的超弹性应用提供参考和指导。

2.3拟采用的技术方案及措施

（1）合金试样的制备。基于前期研究开发的合金制备工艺，本项目研究的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金以纯Al、纯Cu和纯Mn为原料（成分配比为：Al 17 ~ 20 at.%，Mn 9 ~ 11 at.%，Cu余量），采用定向凝固工艺制备出来。首先，将原料在真空电磁感应炉中熔炼并浇铸成尺寸预制合金锭，熔炼温度为1300℃左右。然后，采用自制的普通浇铸，水冷铜模强制冷却的定向凝固设备，将预制合金在1100℃的电阻炉中重熔并保温20 min后，将熔体浇铸入圆柱型石墨结晶器，结晶器四周加热到1050 ~ 1100℃保温，结晶器底部与通有室温冷却循环水的铜模接触，冷却水流量为800~1200 L/h，合金熔液从结晶器底部逆着热流方向凝固，待合金全部凝固后，当结晶器温度降到约850℃时将铸锭取出后迅速水冷淬火，浇出铸锭直径约为50 ~ 80 mm，高度为150 ~ 180 mm。

（2）合金相变温度和组织分析。对制备出的合金试样分别进行化学成分分析和差示扫描量热仪（DSC）测试，DSC试样尺寸：直径3mm，高2mm。确定合金的实际成分和马氏体相变温度。组织观察采用金相显微的方法，将试样分别沿横向和纵向中心面剖开，制成横截面和纵截面观察试样，使用金相显微镜观察不同变形量试样的横、纵截面金相组织；使用X射线衍射（XRD）分析试样的相组成。

（3）各向异性参数的测定：对合金拉伸超弹性各向异性性能进行测试，获得基本参数。在铸锭长度方向的中部（柱状晶取向度和晶界平直度最高的部位）切取长度方向（即拉伸方向F）与凝固方向（SD）分别成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的7组试样，如下图所示。超弹性拉伸试样的标距长度为20 mm，横截面尺寸为4 mm × 2 mm。所有试样经机械抛光处理后，进行超弹性测试。超弹性测试采用累加拉伸循环加载-卸载实验方法测得。

（4）建立模型：以超弹性各向异的基本数据为基础，采用力学本构模拟的方法，建立起合金的本构模型。为建立合金的超弹性各向异性力学模型做准备。

（5）模拟计算：验证所提出的模型。对于单轴拉伸情况，模拟SMA丝在不同温度下的应力应变响应和演变的马氏体体积分数。采用有限元软件模拟计算在一些应用需要的较复杂应变（如多种拉压组合的循环、复杂应变路径等情况）下的力学行为。

3. 研究计划与安排

1.第1-2周查阅国内外文献并翻译英文文献，了解形状记忆合金超弹性和本构的相关知识，了解有限元分析方法，完成开题报告；

2.第3-4周学习与研究内容相关的理论知识和试验方法，开始进行本构参数的测试；

3.第5-9周完成本构模型的建立；

4. 参考文献（12篇以上）

[1].liu ji-li, huang hai-you,xie jian-xin. superelastic anisotropy characteristics of columnar-grainedcu–al–mn shape memory alloys and its potential applications[j]. materials amp;design, 2015,85:211-220.

[2] liu j, huang h, xie j. theroles of grain orientation and grain boundary characteristics in the enhancedsuperelasticity of cu71.8al17.8mn10.4 shape memory alloys[j]. materials amp;design, 2014,64:427-433.

[3] zhang x, yan x, xie h, etal. modeling evolutions of plastic strain, maximum transformation strain andtransformation temperatures in sma under superelastic cycling[j]. computationalmaterials science, 2014,81:113-122.