考虑晶粒尺寸效应的梯度NiTi合金拉伸断裂行为模拟

作     者：陈翔 黄正雄 禄盛 Chen Xiang;Huang Zhengxiong;Lu Sheng

作者机构：重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2025年第57卷第1期

页      面：116-135页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(11802047) 重庆大学机械传动国家重点实验室开放基金(SKLMT-KFKT-201711) 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室开放基金(SV2018-KF-28)资助项目 

主　　题：NiTi 合金 尺寸效应 梯度多晶 裂纹扩展 

摘      要：NiTi合金因其独特的形状记忆特性和超弹性而备受关注,被广泛认为是功能材料领域中最具研究潜力和发展前景的材料之一.梯度晶粒结构作为一种有效提升材料强度与延展性的方法,通过在材料内部实现晶粒尺寸的梯度分布,能够进一步提升NiTi合金的性能.文章通过考虑晶粒尺寸效应的晶体塑性理论模型和cohesive单元,并根据晶粒分布函构建了梯度有限元模型,模拟了匀晶和梯度多晶NiTi在单轴和紧凑拉伸断裂过程中的力学行为,讨论了晶粒尺寸、取向、不同应变速率和不同梯度结构对多晶NiTi的强度与延展性的影响特征,并分析其宏-微观力学规律.研究结果表明,晶粒尺寸对NiTi多晶材料的断裂行为有显著影响:晶粒尺寸越小,多晶体抵抗裂纹萌生的能力越强,晶粒尺寸越大,多晶体阻碍裂纹扩展的能力越强;NiTi多晶的断裂行为呈现出明显的取向相关性,其中{110}织构在3种典型取向中展现出最佳的抗断裂性能;高应变速率提升屈服强度但降低延展性,低应变速率则展现均匀应力分布和优异塑性变形能力;梯度多晶结构在NiTi合金材料的强度与延展性之间起到协调作用,细晶结构分布在多晶体的两端,能够承受较高的应力并有效抑制裂纹的产生,粗晶结构则分布于多晶体的中间,通过提供曲折的晶界形态来阻碍裂纹的扩展.