功能梯度多孔形狀記憶合金的相變機理與力學性能分析結題摘要

功能梯度多孔形狀記憶合金兼?zhèn)湫螤钣洃洸牧虾凸δ芴荻炔牧系碾p重優(yōu)越性，具有廣泛的應用前景。本課題針對在熱-機械力共同作用下功能梯度多孔NiTi形狀記憶合金材料的復雜相變問題進行分析，揭示材料細觀結構、孔隙率、溫度、應力等因素對材料產生相變的影響; 結合細觀力學和熱動力學理論, 建立一種能準確表征功能梯度多孔NiTi形狀記憶合金熱學與力學等宏觀性能的本構模型; 在該理論框架下系統(tǒng)地對具有不同孔隙梯度函數(shù)材料的熱傳導、變形與應力分布和吸能特性等問題進行具體分析，展示該材料與單一的致密形狀記憶合金或傳統(tǒng)功能梯度材料相比具有更加獨特的優(yōu)越性，進而為改進和發(fā)展材料制備工藝、以及材料力學性能的優(yōu)化設計提供理論依據(jù); 編制適用于模擬功能梯度多孔NiTi形狀記憶合金相變機理和力學特性的計算程序，并通過試驗測試獲得試驗數(shù)據(jù)與其進行比較，驗證理論的正確性與有效性。 2100433B

功能梯度多孔形狀記憶合金兼?zhèn)湫螤钣洃洸牧虾凸δ芴荻炔牧系碾p重優(yōu)越性，具有廣泛的應用前景。本課題針對在熱-機械力共同作用下功能梯度多孔NiTi形狀記憶合金材料的復雜相變問題進行分析，揭示材料細觀結構、孔隙率、溫度、應力等因素對材料產生相變的影響; 結合細觀力學和熱動力學理論, 建立一種能準確表征功能梯度多孔NiTi形狀記憶合金熱學與力學等宏觀性能的本構模型; 在該理論框架下系統(tǒng)地對具有不同孔隙梯度函數(shù)材料的熱傳導、變形與應力分布和吸能特性等問題進行具體分析，展示該材料與單一的致密形狀記憶合金或傳統(tǒng)功能梯度材料相比具有更加獨特的優(yōu)越性，進而為改進和發(fā)展材料制備工藝、以及材料力學性能的優(yōu)化設計提供理論依據(jù); 編制適用于模擬功能梯度多孔NiTi形狀記憶合金相變機理和力學特性的計算程序，并通過試驗測試獲得試驗數(shù)據(jù)與其進行比較，驗證理論的正確性與有效性。

ZrO₂在1150℃左右發(fā)生單斜←正方結構的馬氏體相變，并伴有3%~5%的體積脹縮。當彌散在陶瓷基體中的ZrO₂粒子發(fā)生相變時，伴隨相轉變的體積變化受到周圍基體的限制，使相變受阻導致相變點溫度降低。相變溫度降低的程度與ZrO₂粒子的尺寸有關，當ZrO₂粒子的尺寸小于某一個臨界值D_e時，馬氏體相變點可以低于常溫。高溫的正方ZrO2相可以保持在室溫。在室溫下，當含有正方結構的ZrO₂粒子的陶瓷中產生裂紋時，裂紋尖端附近由于應力集中而高于臨界值時，裂紋尖端附近的正方ZrO₂粒子會因應力誘發(fā)而進行馬氏體相變。由于相變需消耗大量功，因此正方ZrO₂向單斜的ZrO₂馬氏體轉變使裂紋尖端應力松弛，從而阻礙裂紋的進一步擴展。此外，馬氏體相變的體積膨脹使周圍基體受壓，促使其他裂紋閉合。顯然，馬氏體相變的存在使裂紋擴展從純脆性變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄?。此外，材料系統(tǒng)中相變一般伴隨有微裂紋的產生，微裂紋也被作為消耗能量的機理類似于相變，故材料得到韌化。這就是所謂的應力誘發(fā)相變和相變韌化，或稱相變誘發(fā)韌性。當裂紋經(jīng)過后，裂紋兩側產生一個寬為W的相變區(qū)，顯然相變區(qū)W愈寬則增韌效果愈好。ZrO₂粒子的尺寸愈大則所需的相變誘發(fā)外力愈小，因而相變區(qū)W愈寬。

相變的類型很多，根據(jù)相變的某種屬性的特征可作粗線條的分類：根據(jù)熱力學函數(shù)可分為一級相變、二級相變；根據(jù)對抗?jié)q落的穩(wěn)定性分為連續(xù)相變、非連續(xù)相變；根據(jù)新相生長時的控制環(huán)節(jié)，可分為擴散控制的相變和界面控制的相變；根據(jù)新相生成時原子遷移的特點，分為有擴散相變（散漫移動式相變）、無擴散相變（行列移動式相變）等。還有，由傳質控制的相變，或由傳熱控制的相變（凝固）等。當然，有些相變不是這樣截然劃分所能概括的。礦物學家和陶瓷材料科學家在傳統(tǒng)上將相變分為重構型相變和位移型相變，前者指相變時將原有的化學鍵拆開重新結合成新鍵而構成新晶體，后者則指相變時僅涉及結合鍵的長度和夾角大小的改變 。2100433B

在介質中通過相變發(fā)生熱轉移，水到冰，水到氣，或冰到水等相變過程都伴隨有熱轉移。

熱轉移機理沸騰

在沸騰液體中熱轉移是復雜的，但對技術應用是重要的。

低溫無沸騰出現(xiàn)，熱轉移率由單相機制控制。當表面溫度增加，區(qū)部出現(xiàn)沸騰，蒸氣泡成核，長大進入周圍冷液體，并收縮。次冷核沸騰，這是很有效的熱轉移機理。高泡率時，泡間出現(xiàn)干涉，表面溫度增加不快；溫度再高，出現(xiàn)最大熱通。溫度下降的過程更不易研究。

熱轉移機理凝聚

蒸氣遇冷，改變它的相到液體就發(fā)生凝聚。和沸騰一樣，凝聚在工業(yè)中也是很重要的。在凝聚過程中，蒸氣的潛熱必定要放出，其量與相同壓力下液體氣化所吸的熱相同。

凝聚有幾種類型：

形成霧時，均勻凝聚

與次冷液體直接接觸時凝聚

與冷璧或熱交換器直接接觸時的凝聚。這是工業(yè)應用最一般的模式。

當液體膜在次冷表面形成時，造成膜凝聚。

當次冷表面形成液滴時，造成液滴形式凝聚。而一般發(fā)生在液體不潤濕表面時，液滴凝聚難于穩(wěn)定維持；所以工業(yè)設備通常設計為膜式凝聚模式。