文章编号: 1004-0609(2005)07-1019-07
基于CuZnAl形状记忆合金的框架结构抗震减振控制
司乃潮, 陆松华, 傅明喜, 王晓东, 史强军
(江苏大学 材料科学与工程学院, 镇江 212013)
摘 要: 利用形状记忆合金的本构关系, 分析了在自由应力状态下的残余应变与温度的关系。 使用动态数据采集分析仪, 测试了安装CuZnAl形状记忆合金耗能器的框架结构的减振性能; 应用电子万能拉伸试验机测试了CuZnAl形状记忆合金的应力—应变滞回曲线, 借助透射电子显微镜, 分析了CuZnAl形状记忆合金在热机械循环过程中显微组织的变化; 比较了不同热处理工艺对CuZnAl形状记忆合金热机械循环后的滞回曲线面积及减振性能的影响。 结果表明: CuZnAl形状记忆合金用于框架结构具有较好的减振效果, 可明显降低框架结构的振动频率, 其中马氏体CuZnAl形状记忆合金耗能器具有较大的耗能能力, 经室温水淬时效7h处理后减振效果最好。
关键词: CuZnAl形状记忆合金; 本构关系; 框架减振; 滞回曲线; 热机械循环 中图分类号: TG139.6
文献标识码: A
Aseismic and vibration control of frame structures with CuZnAl SMA dampers
SI Nai-chao, LU Song-hua, FU Ming-xi , WANG Xiao-dong, SHI Qiang-jun
(School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract: The relationship between the residual strain and the temperature under free stress condition is analyzed by using constitutive relation of SMA. The damping performance of the frame with CuZnAl SMA dampers is tested by dynamic data collecting analysis meter. Then the stress—strain curve of CuZnAl SMA is measured by electronic universal testing machine. The change of microstructure during thermo-mechanical cycle is analyzed by transmission electron microscope. The effects of different heat-treatment processes on the area of hysteretic loop and the damping capability of CuZnAl SMA after thermo-mechanical cycles are studied. Experimental results show that CuZnAl SMA has good damping capability in frame structure and can obviously reduce the vibration frequency. CuZnAl SMA in martensitic state has better damping ability, and the damping effect of the alloy after being quenched into water and aged for 7h is the best.
Key words: CuZnAl shape memory alloy; constitutive relation; structure damping; hysteretic loop; thermo-mechanical cycle
普通支撑框架是高层钢结构采用较多的结构形式。 由于其刚度大, 同时支撑的滞回性能匮乏, 滞回环较小或退化, 耗能能力差, 偏心支撑综合钢框架抗震工作时以牺牲主梁为代价, 柱子和支撑的截面很大, 经济效果较差[1]。 因此, 近年来发展的新的框架减振体系是在支撑框架结构上安装专门的耗能装置以消耗地震能量。 形状记忆合金是一种集传感、 驱动于一体的新型功能材料, 当外部环境的温度、 应力发生变化时, 其形状会因为热弹性马氏体转变或逆相变而改变, 并产生较大的回复力。 由于形状记忆合金具有超弹性性能、 相变滞后性能, 其应力—应变曲线形成滞回环, 滞回环越大说明承载过程吸收的能量越多, 因此可以利用形状记忆合金制成被动耗能抗震器[2, 3]。
由于CuZnAl形状记合金价格相对低廉、 生产工艺简单, 现已基本解决晶粒粗大及马氏体稳定化的问题[4-7], 因而具有广阔的应用前景。 形状记忆合金耗能器主要靠热弹性马氏体中的相变孪晶界或母相与马氏体的相界移动来消耗能量[8-10], 故采用简单结构即可。 本研究主要是寻找一种滞回曲线面积较大的CuZnAl形状记忆合金材料。 考虑到试验的可操作性及成本问题, 在试验过程中以片状材料来分析材料的抗震性能。 在多种热处理工艺的基础上, 测试了形状记忆合金片的耗能效果, 并测得其应力—应变曲线, 分析了热处理方式和形状记忆合金耗能抗震能力的关系。
1 实验
以电解铜、 0#锌、 A00铝为原料, 配制铜锌铝合金, 在SS74-3中频感应电炉中熔化, 当合金液温度达到1230℃左右时, 加入微量复合稀土, 浇注成d80mm×150mm的铸锭, 然后在850℃退火24h以消除应力, 切削去除氧化皮。 在熔化时通过调整其化学成分, 获得Ms点分别为50℃、 66℃和130℃(常温下为马氏体状态)CuZnAl形状记忆合金。
材料经锻打后, 可以制成片状和板状两种试样。 若要制成片状, 则轧制成片厚为0.25mm的薄板, 然后根据自己设计的振动测试框架剪切成长条。 板材采用线切割加工, 尺寸为100mm×8mm×4mm。 制备的材料经过多种热处理, 工艺见表1。
用微机控制电子万能试验机测出不同热处理工艺的合金(尺寸为200mm×10mm×0.25mm)的应力—应变曲线, 在测量前, 对合金均预拉伸3次, 预拉伸过程中最大拉伸力为80N。 电子拉伸后的试样, 用JEM-2000E型透射电子显微镜观察相结构和马氏体界面形貌, 透射电子显微镜试样先冷轧至 0.3mm, 再机械减薄到0.1mm, 最后用双喷电解减薄。 对一个2层钢框架结构进行框架振动控制试验, 框架中安装CuZnAl形状记忆合金耗能器, 为简单起见, 仅考虑框架结构的一阶振型, 故将应变片式传感器粘贴在框架底层立柱的根部, 监测框架沿其宽度方向的振动。 由于框架结构振动时, 单层内以对角线两端点的相对位移最大, 利用电阻应变片和动态数据采集分析仪测量该框架结构的振动衰减特性。 试验时, 在框架顶部沿框架宽度方向施加少量初位移约束, 然后释放约束让框架振动至衰减结束。 当振动结束后, 将CuZnAl形状记忆合金片加热, 利用CuZnAl形状记忆合金的形状记忆效应使CuZnAl形状记忆合金片式耗能器恢复到结构振动前的状态, 当结构再次振动时, CuZnAl 形状记忆合金耗能器再次发挥作用。
2 形状记忆合金材料的本构模型及应用
建立形状记忆合金材料本构模型的目的, 是为了描述形状记忆材料的机械行为以及相变过程中的力学特性。 从工程应用的角度来看, 建立在唯象理论基础上的本构模型比较实用, 它避开了如自由能等较难测量的参量, 而定义了适用于工程计算的参量体系, 故在形状记忆合金材料的结构力学分析中发挥着巨大作用。
由热力学第一、 第二定律给出[11, 12]:
式中ρ为现实构形密度; σ为Cauchy应力; U为内能密度; qsur为热流; T为温度; q和S分别为热源密度和熵密度。
利用Helmholtz自由能, 将式(1)变为
表1 CuZnAl形状记忆合金的各种热处理工艺
Table 1 Different heat-treatments of CuZnAl shape memory alloy
式中σ[TX-]为Kichhoff应力; ε为Green应变; f为变形梯度; ρ0为相对参考构形的物质密度; ξ为内变量, 代表相变过程中马氏体百分数。
利用这一结果, 可将马氏体的体积分数的变化表示成[13]:
1) 奥氏体向马氏体转化或各个马氏体变体向一特定取向的马氏体转化(孪晶解孪)
当T>Ms且σcrs+CM(T-Ms)〈σeq〈σcrf+CM(T-Ms)时:
其中
2) 马氏体向奥氏体转化, 且CA(T-Af)〈σeq〈CA(T-As)时:
式中Ms, Mf, As, Af分别为马氏体、 奥氏体相转变的起始温度和结束温度; σcrf, σcrs为低温下马氏体解孪时的起始和结束的临界应力; CM, CA为转变温度一应力曲线的斜率。
由于将马氏体的体积分数分成由应力诱导的和由温度诱导的两部分, 因此这一本构关系在不同温度下均能描述形状记忆材料的应力—应变关系和形状记忆效应等。 图1所示为在自由应力状态下的残余应变与温度的关系曲线。 由图1可见, 当温度高于Af(71℃)时, 残余应变全部恢复, 反映出了CuZnAl形状记忆合金具有很好的形状记忆效应, 该合金的Ms, Mf, As, Af分别为66℃、 58℃、 63℃和71℃。
图1 CuZnAl合金恢复应变与温度的关系
Fig.1 Relations between recovery strain and temperature of CuZnAl alloy
3 结果与分析
3.1 装上CuZnAl形状记忆合金耗能器的框架振动衰减特性
振动框架由YDS-1型动态数据集分析仪输出数据, 所得数据利用matlab编程计算和绘图。 没有装形状记忆合金片状耗能器的振动衰减过程非常缓慢, 输出曲线如图2(a)所示。 振动开始后700(时间单位)时的振幅衰减率η=0.225174。 振幅衰减率定义如下:η=Ax/A0, A0为该次振动的最大振幅; Ax为此后的第x个振幅。 衰减时间Tx为Ax对应的时间与A0对应时间的差值。
对振动曲线用快速傅里叶变换得到频谱曲线, 如图2(c)所示。 可以得到框架振动的固有频率约为65Hz。 而装上SMA耗能器以后, 振幅衰减速度明显加快, 振动频率亦有所降低, 约为15Hz(图2(d))。 图2(b)所示是装上经过室温油淬并时效10h处理的相变点为66℃的形状记忆合金片耗能器以后的振动衰减曲线。 两次振动的振幅衰减率及衰减时间见表2。 由表2对比两次振动的衰减速度, 装上耗能器的只用了9个时间单位即衰减到50%以下, 到49时间单位时振幅已衰减到原来的11%; 而未装耗能器的衰减56时间单位时振幅仍然有原来的86.7%。
装上耗能器以后, 框架结构振动的固有频率有所降低。 通过频谱分析得到各种热处理后的试样对应的振动框架的振动频率, 见表3。 表3中所列试样号50m17的意义:50表示形状记忆合金的Ms点为50℃, m表示马氏体状态, 1表示表1中序列号为1的淬火方式, 7表示时效时间为7h; 其他编号
图2 振动框架的振动衰减曲线和频谱曲线(图2(a)、 (b)纵坐标没有单位, 仅表示振动幅度的大小, 示意振动衰减程度)
Fig.2 Vibration attenuation curves and spectrum curves of frame structure
表2 未装耗能器和装上耗能器后的2个振动框架性能的对比
Table 2 Comparison of frame structure without dampers and one with dampers
依此类推。 安装不同相变点、 经过不同方式热处理的耗能器以后, 框架的振动频率都有所下降。 在工程应用中可以利用此特性改变结构的振动频率以避开共振, 则结构不易发生疲劳并可长期使用。
3.2热处理工艺对马氏体状态CuZnAl形状记忆合金耗能器减振效果的影响
实验中共有3种热处理方式以及各自2种时效时间, 并采用Ms 为66℃的马氏体状态的形状记忆合金。 共有6组片状形状记忆合金耗能器, 每组8根, 分别装在2层框架上测试其耗能能力。
安装了Ms为66℃的SMA耗能器后, 框架结构的振动衰减过程记录见表4。 在相同时效时间7h 条件下, 室温水淬合金的衰减效果最好, 其余两种淬火方式下的效果相近。 当时效时间为10h, 比较表中的η值, 室温油淬合金的减振效果最好, 其次是分级淬火的, 水淬的相对稍差。 而都采用室温水淬的淬火方式时, 时效10h合金的减振效果明显优于7h的; 都采用室温油淬时, 时效10h的减振效果略有下降; 而分级淬火时效10h的稍微优于7h的。 比较图3中各种热处理后合金的应力—应变滞回曲线面积, 66m17、 66m27、 66m37中滞回面积最大的是66m27。 试样号66m210对应的滞回面积略小于66m27的, 而66m110和66m310对应的滞回曲线面积分别略大于66m17和66m37的, 对于Ms为66℃的合金, 室温水淬时效7h的减振效果最好(见表5)。
表3 安装不同耗能器后的框架振动频率
Table 3 Vibration frequency of structure with different dampers
表4 Ms为66℃合金的减振效果比较
Table 4 Comparison of vibration damping effect of CuZnAl alloys with Ms of 66℃
表5 不同热处理工艺对合金滞回曲线面积的影响
Table 5 Effect of different heat-treatments on area of hysteretic loop
3.3 马氏体状态CuZnAl形状记忆合金热机械循环滞回曲线
片状马氏体状态的CuZnAl形状记忆合金每次使用后都必须加热, 发生热弹性马氏体正逆转变各一次, 以消除残余应变。 不同相变温度CuZnAl形状记合金的拉伸曲线见图3。 第1次拉伸以后加热, 片状试样的残余变形完全恢复, 而后的热机械循环逐渐有小部分不可恢复残余应变累积。 试验中发现合金热机械循环30次后, 滞回面积明显缩小, 但30次以后滞回面积缩小幅度下降 (见图3), 弹性屈服点对应的力和变形值都有所下降, 原因是热机械循环过程中产生大量位错及位错塞积阻碍了马氏体正逆转变的进行[14]。 在CuZnAl形状记忆合金马氏体中, 热机械循环产生了1/2[1 1 2 0 ]位错 , 它对应于母相的1/4[1 1 1 ]位错, 即使马氏体逆转变后它仍可以保留在母相中。 1/2[1 1 2 0 ]位错由1/3[1 0 0 ]与1/2[1/3 1 2 0 ]两个半位错生成, 1/3[1 0 0 ]位错运动不破坏合金有序状态, 而1/2[1/3 1 2 0 ]位错运动同时破坏了nn有序与nnn有序。 另外合金在冷热机械循环中位错不断积累, 也会破坏合金的有序结构[15, 16]。 在经过同样次数的热机械循环后, 虽然合金的有序度大大下降, 但相对而言, 原来有序度高的合金依然具有较高的有序度, 故而滞回面积的减小幅度也较小。
图3 试样66m27的拉伸曲线
Fig.3 Tensile curves of sample 66m27 after different thermo-mechanical cycles
为了查明马氏体条内的组织结构, 用透射电镜进行了组织结构分析。 观察表明, 热机械循环次数少时, 在马氏体条内出现了细小平行针状组织(图4(a))。 随着热机械循环次数的增加, 马氏体条内出现了平行台阶状变体和交叉状变体(图4(b)), 在同样放大倍数下同一视场中显示马氏体条内的位错密度也逐渐增高。 图4(c)和图4(d)所示为热机械循环后围绕c*轴旋转所获得的一组电子衍射花样。 这组电子衍射花样表明, 该合金马氏体为M18R结构。 在这组电子衍射花样中, 沿c*轴方向出现拖痕(图4(c)), 而且随热机械循环次数的增加, 沿c*轴方向出现的拖痕强度增加(图4(d)), 这正是层错所造成的衍射效应, 可见该合金马氏体亚结构为基面上的层错, 而且随热机械循环次数的增加, 马氏体亚结构(基面上的层错)的密度和数量大大增加。
图4 热机械循环后合金的透射电镜组织及衍射花样
Fig.4 TEM images and corresponding diffraction patterns of alloy after different thermo-mechanical cycles
随着时效时间的延长(大于7h以后), 马氏体的自协作性变差, 且马氏体中产生了细条状、 台阶状新变体(与图4(b)的结果相似)。 这些小变体的出现是变体长大时, 由于自协作不良造成畸变而产生的[17]。 细条状、 台阶状变体的出现, 破坏了马氏体原来良好的边界匹配关系, 导致界面可动性降低, 不利于马氏体的正逆转变与变形, 导致马氏体有序度降低, 这必然影响晶体学可逆性, 导致滞回面积的减小, 从而引起减振效果变差。
4 结论
1) 利用形状记忆合金的本构关系, 分析了在自由应力状态下的残余应变与温度关系曲线, 能够反映出形状记忆合金的形状记忆效应。
2) CuZnAl形状记忆合金可用于框架结构的被动振动控制并具有较好的减振性能, 可明显降低框架结构的振动频率, 从而使框架结构避开共振。
3) 热处理工艺对CuZnAl形状记忆合金热机械循环后的滞回曲线面积及减振性能有较大影响, 室温水淬时效7h的滞回曲线面积最大, 减振效果最好。
4) 马氏体CuZnAl形状记忆合金耗能器具有较大的耗能能力, 热机械循环30次后滞回面积亦大幅减小, 这主要是因为合金在热机械循环过程中位错不断积累, 破坏了合金有序结构, 可逆马氏体量减少造成的。
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基金项目: 江苏省自然科学基金资助项目(BK2001091); 江苏省科技攻关资助项目(BE2004027)
收稿日期: 2005-02-28; 修订日期: 2005-04-28
作者简介: 司乃潮(1955-), 男, 教授.
通讯作者: 司乃潮, 教授; 电话:0511-2927785, 8780194; E-mail: snc@ujs.edu.cn
(编辑 杨兵)
