高温形状记忆合金是一类具有优越性能的功能材料，具有温度诱导形状变化的特性。

在应用中，常常需要在温度变化的环境下保持其形状记忆特性的稳定性，因此研究高温形状记忆合金在恒定应变下的热循环行为对于优化其应用具有重要意义。

形状记忆合金中的恢复应力是一个重要但经常被忽视的特性，通常通过在尺寸上限制马氏体相变来获得。

这些应力是在样品受到尺寸约束时，将定向马氏体相加热至高温奥氏体相时产生的。

冷却时，根据材料和任何先前的变形历史，应力逐渐松弛到最小应力状态 ，尽管存在冷却阶段也会导致轻微应力产生的情况。

许多研究人员之前已经描述了这种压力产生背后的机制，将加热时产生的应力归因于在逆相变温度开始以上重新取向/解孪生马氏体向母体奥氏体的转变，并被热应力抵消。

在这种情况下，磁滞回线的跨度由于限制而变宽，报道称，由于恢复应力逐渐增加，除了取向的残留马氏体之外，取向马氏体也转变为母相。

应力演变是由于一系列动态过程造成的，其中涉及逆马氏体相变的激活和残余应力松弛，随后是长时间加热的其他机制。

这种应力恢复现象已被用于许多应用中，例如紧固和连接 、岩石分裂、安全/释放机构、形状记忆增强混合复合材料、混凝土约束、医疗设备以及许多其他应用。

应力的产生还与执行器应用相关，在执行器应用中，需要确定干扰负载（例如，在执行器移动受阻的情况下）以确定适当的硬件尺寸。

许多 SMA 系统的恢复应力已被证明可达到 800 MPa 的水平。恢复应力的大小取决于材料中存在的定向马氏体的量，因此，最大化定向马氏体的量将放大这些应力。

与其他形状记忆特性一样，塑性变形可以取代这个过程。

提而高合金强度的方法也往往会增加回复应力，例如沉淀强化、晶粒细化、合金化、热机械加工和其他因素。

随着最近高强度、高温 SMA 的出现，应力恢复是迄今为止尚未评估的领域之一。

因此，这项工作的目的是研究沉淀强化的 Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20 (at.%) 高温 SMA 在单轴拉伸和压缩中的应力恢复能力。

这种材料已被证明在恒定应力、热循环实验中表现出出色的强度和稳定性，至少在有限数量的循环中是如此。

另一方面，之前尚未报道过用于确定这种特定合金恢复应力的恒定应变热循环实验，当前研究的一部分还旨在评估几种预应变程序以优化恢复应力。

使用了多晶富镍 Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20 (at.%) 合金，感应熔炼后，将铸锭在 1050 °C 下真空均质 72 小时并炉冷，然后在 900 °C 下进行热挤压（Ext. 189），面积收缩率约为 7:1。

测试样品由挤压棒加工而成，并在氩气气氛下于550℃下进行3小时的时效处理，然后空气冷却。

先前已证明这种时效处理，可提供热机械性能的最佳平衡。

研究使用了两种样本几何形状，第一个样品由狗骨拉伸样品组成，最终规格尺寸为直径 5.08 毫米、长度 15.24 毫米。

该几何形状用于所有未达到屈曲临界载荷的拉伸测试和压缩测试。

对于高压缩载荷的测试，第二种几何形状由最终尺寸为直径 5 毫米和长度 10 毫米的圆柱体组成。

两个 810 MTS 伺服液压负载框架和配备 Ameritherm ® 的FlexTest™ 数字控制器，进行热机械测试感应加热系统。

一套系统配备了带螺纹插件的延长杆和支撑杆，用于对狗骨形样品进行拉伸/压缩测试，另一个系统配备了扁平硬质合金压板，用于测试圆柱形压缩样品。

在进行任何测试之前，将每个样本安装在框架上，并以 20 °C/min 的速率在 30 至 300 °C 的较低循环温度和较高循环温度之间进行两次基本无负载 (<1 MPa) 的热循环。

完成此步骤是为了减轻样品加工和处理产生的任何残余应力，并促进由自调节马氏体组成的起始结构。

对于狗骨样本几何形状，使用标距长度为 12.7 毫米、应变范围为 −10/+20% 的高温引伸计测量应变。

对于圆柱形压缩样品，使用 Micro-Epsilon™ 非接触式 LED 千分尺测量应变，对于这两种样品几何形状，使用 Eurotherm™ 温度控制器和点焊到每个样品的K型热电偶来控制和测量温度。

马氏体开始转变温度 ( M s )、马氏体结束转变温度 ( M f )、奥氏体开始转变温度 ( A s ) 和奥氏体结束转变温度 ( A f )）是使用截距法根据无应力应变-温度响应确定的，分别为 141、126、156 和 170 ± 2 °C。

几种预应变程序检查所研究合金的应力产生能力，第一种方法称为“等温预应变”，包括在室温下将马氏体相材料应变至特定应变并将应变常数保持在目标值。

此时，样品在应变控制条件下的极限温度之间热循环 20 次热/冷循环。第二种预染色方法称为“等压热循环”。

该技术包括应用两个恒定应力热循环，然后在室温下卸载至零应力。

然后将残余应变（卸载步骤后）保持固定，然后进行 20 个恒定应变热循环。

在整个恒应变热循环实验中（在所有预应变方法之后），分别使用 40 °C 和 300 °C 的下限和上限循环温度，以及 20 °C/min 的加热/冷却速率。

所有机械加载均在室温下以应变控制模式以1×10 -4 s -1的速率进行。

时效Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20合金单轴拉伸和压缩的应力-应变曲线，以实线表示的参考曲线，用于指导预应变极限，而不是训练程序的一部分。

这些初始曲线也限制为 ±1 GPa，其中变形是完全可逆的。

实际使用的训练预应变是在 ±1 GPa 曲线内选择的，以避免初始载荷产生任何塑性影响。

另请注意，每个预应变都是在新样品上进行的，并且仅绘制了终点，如空心圆圈。

多个预应变水平，用于检查马氏体变体重新取向/解孪的不同程度及其对随后应力产生和稳定性的伴随影响。

这些曲线是通过在室温下应变至所需应变水平、保持施加的应变恒定、然后在较高循环温度和较低循环温度之间，进行热循环而生成的。

在第一个加热循环中，应力松弛直至达到表观A s (~160 °C ) 。这主要归因于在其他合金系统中观察到的材料顺应性的变化。

重新取向/解孪生马氏体的初始加热导致刚度下降，表现为应力松弛。

一旦材料经历相变，马氏体就会在第一个冷却循环中发生热织构和自调节，随后的恒定应变热循环显示出特征应力-温度滞后回线。

加热时应力增大，冷却时应力松弛至零或轻微压缩应力或拉伸应力，随着预应变的增加，特征转变温度发生变化，特别是A f和M s转向更高的温度，而A s和M f表现出较小的变化。

这是相当预期的，因为加热转变的开始感测到最小的外部应力，而表观A f受到高外部应力的累积的抵抗。

冷却时，表观M s温度随着预应变的增加而升高，但由于M f处的应力， M f对所施加的应变相对不敏感，对于所有施加的应变条件几乎为零。

此外，请记住，这种转变是应力的函数，已知转变温度会根据克劳修斯-克拉佩龙关系发生变化。

还值得注意的是，转变温度行为表现出“II 类”型热弹性转变，其中A s小于Ms( As< Ms) 。

最初这两个温度之间的差异很小，但随着预应变的增加而显着增加。

尽管这种行为归因于马氏体转变导致应变能的积累，从而导致加热时发生早期逆转变，但在这种情况下，由于机械应力的积累，M s的温度变化更高。

此外，之前已经表明，即使在表观A f之后，仍然存在残留的马氏体，它可以在冷却早期引发转变。

应力-温度响应的加热部分，主要针对拉伸情况，表现出两步转变，其中拐点出现在 165 °C 左右（300 至 400 MPa 之间）。

正是在这种温度和应力下，第一个加热循环改变了方向。

这种两步加热行为归因于最初相对容易的马氏体转变，因为较少约束的变体转变为奥氏体对应，随后随着体积分数的减小，优先排列的变体发生更困难的马氏体到奥氏体转变加热。

因此，随着外部应力的增加，受约束的变体需要额外的热能来完成晶格转换。

虽然转变温度行为至关重要，但作为预应变函数产生的应力也具有类似的重要性。

与传统 NiTi 或其他三元合金相比，这种 NiTiHf 合金表现出更高的恢复应力。

使用当前的训练方法获得了超过 1 GPa 的拉伸应力和超过 1.3 GPa 的压缩应力。

应力恢复的差异，源于在该材料中观察到的拉压不对称性，除了材料的热膨胀贡献之外。

在拉伸状态下，加热时的热膨胀与相变发生前后的负线性斜率所指示的应力产生相反，而在压缩状态下，热膨胀沿应力方向有助于总应力的产生。

这种演变部分归因于在选定的较高循环温度下的不完全相变，但也假设在这些较高的应力和温度下奥氏体相中发生了一些塑性变形。

应力演变也可以直观地看到a、c分别代表拉伸和压缩，尽管应力随着循环而退化，但在第二十个恒定应变循环之后似乎接近稳定的行为。

为了进一步阐明演化行为，每个样本在第 20 个恒定应变循环后在 ~0 MPa（负载控制条件下）下进行热循环。

也就是说，在应变控制中完成第二十个循环后，测试模式切换到负载控制，然后在名义上零应力下进行热循环。

即使在恒定应变下转变为马氏体相 导致很少或没有外部应力，微观结构主要通过马氏体变体重新取向/解孪，以及可能的塑性变形保留纹理。

这可以从负载去除后，以及随后的拉伸和压缩的无应力热循环期间的应变恢复中看出 。

结果表明，在空载循环条件下加热时，去除负载后的大部分残余应变可以恢复。

先前显示，在施加 +500 MPa 和 -700 MPa 的外加应力时，该材料的转变应变能力分别超过3.74%和2.65% 。

然而，超过 500 MPa 的应力会导致与奥氏体相屈服相关的一些尺寸不稳定性。

因此，为本次训练选择的应力被限制在 ±400 MPa 范围内，此时材料表现出稳定的行为。

尽管单个循环足以重新定向马氏体相，但使用了两个热机械循环，除了初始加热阶段之外，这两个热机械循环显示出重叠。

在第二个循环结束时，材料被卸载至零应力，其中残余应变保持恒定，然后进行热循环。

与等温训练不同，在第一个加热循环中没有应力松弛，因为马氏体已经通过恒定应力下的热机械循环而织构化。

第一个加热周期导致恢复应力的积累，事实证明该恢复应力高于之前的训练方法。

预应变至-2%，共轭应力约为1 GPa导致恢复应力为-1.3 GPa，而等压训练则为-400 MPab-3，导致第一个周期的恢复应力超过-1.45 GPa。

值得注意的是， 7b -3中所示的不规则性是与引伸计相关的实验误差，并不代表实际的材料行为，随后的周期提供了更具代表性的行为。

Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20合金在恒定应变下的热循环行为表现出良好的稳定性。

热循环实验结果显示，合金的形状记忆效应随着循环次数的增加逐渐增强，并且残余应变逐渐减小。

这表明，在恒定应变的条件下，Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20合金能够保持较高的形状记忆效应，且不会出现明显的塑性变形或失效现象。

数值模拟结果进一步验证了实验观察到的热循环行为，并揭示了合金中相变过程和晶格应变之间的关系。

当合金受到较大的应变时，晶格结构会发生相变，从而产生形状记忆效应，合理设计合金的组分和微结构可以进一步优化其热循环性能。

Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20高温形状记忆合金在恒定应变下表现出良好的热循环特性，具有稳定的形状记忆效应和循环性能。

该研究的结果为高温形状记忆合金的应用和优化提供了重要的理论和实验基础。

未来的研究可以进一步探究其他合金体系的热循环行为，丰富热循环特性研究的理论和实证。