Energy conversion in shape memory alloy heat engine - Part II: Simulation

In this paper, a theoretical model proposed in Part I (Zhu et al., 2001a) is used to simulate the behavior of a twin crank NiTi SMA spring based heat engine, which has been experimentally studied by Iwanaga et al. (1988). The simulation results are compared favorably with the measurements. It is found that (1) output torque and heat efficiency decrease as rotation speed increase; (2) both output torque and output power increase with the increase of hot water temperature; (3) at high rotation speed, higher water temperature improves the heat efficiency. On the contrary, at low rotation speed, lower water temperature is more efficient; (4) the effects of initial spring length may not be monotonic as reported. According to the simulation, output torque, output power and heat efficiency increase with the decrease of spring length only in the low rotation speed case. At high rotation speed, the result might be on the contrary.

形状记忆合金的微尺度力学行为

与常规合金相比，形状记忆合金具有形状记忆效应（S ME）和超弹性（SE）等特性。利用这些特性，形状记忆合金被广泛地应用在MEMS中，微机器人领域及医疗器械等方面。为了充分发挥材料性能和优化设计以形状记忆合金为材料制成的MEMS器件及医疗器械，十分需要深入地研究并掌握形状记忆合金微尺度下的相变过程及变形行为。形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性等特性都与马氏体相变有着十分密切的关系。本文对CuAINi单晶形状记忆合金中温度变化形成的热变马氏体和应力诱发的形变马氏体进行了观察并研究了其室温下和升温过程中的微尺度力学行为。同时还研究了NITi纳米多晶形状记忆合金体材料和NITi形状记忆合金薄膜室温下压痕尺寸效应。研究内容包括以下几个方面：1）自行设计出能够配合纳米硬度仪、AFM及光学显微镜使用的微型拉伸装置，实现应力诱发马氏体相变的观测及研究；2）使用光学显微镜和AFM对热变马氏体和形变马氏体进行观察，并用摄像机记录了光学显微镜下观察到的应力诱发马氏体相变的全过程；3）使用带有加热台的纳米压痕仪研究了室温下及高温下形状记忆合金独特的纳米压痕行为，包括室温下形状记忆合金的纳米压痕尺寸效应及微分硬度分布情况和升温后形状记忆合金在不同温度下纳米压痕的恢复情况及纳米硬度随温度的变化情况。本研究工作得到的结果如下：1）CuAINi单晶形状记忆合金压痕实验中，由于压头尖端的应力水平很高，不仅会在奥氏体中产生应力诱发马氏体相变，在马氏体中产生应力诱发马氏体重取向，而且在奥氏体和马氏体中还会产生位错引起的塑性变形。位错将对压痕形状的恢复起阻碍作用，当温度高于Af点时，奥氏体和马氏体中的压痕仍不能完全恢复。2）当所施加的压痕载荷较小（≤1000ON）时，CuAINi单晶形状记忆合金中的非弹性变形以相变引起的变形为主，并将对高温下材料的变形产生主要的影响。100℃时奥氏体中压痕在深度方向上的恢复率（60）在0.7～0.8之间，马氏体中孙大约为0.9；纳米硬度随温度升高而明显增加。3）CuAINi单晶形状记忆合金中奥氏体和马氏体中均存在压痕尺寸效应，随压头压入深度减小，纳米硬度均升高。NITi纳米多晶形状记忆合金体材料和NITi形状记忆合金薄膜中也存在压痕尺寸效应。4）CuAINi单晶形状记忆合金中奥氏体的加载曲线的斜率大于马氏体的加载曲线的斜率，而奥氏体和马氏体的卸载曲线则几乎平行。使用尖锐的棱锥压头，用纳米压痕法不能得到纯粹的奥氏体的纳米硬度和模量。