-
Ni-
Ti
形状记忆合金纤维相变的电阻特性研究
徐磊
王瑞
张淑洁
(
天津工业大学
纺织学院，天津
300160)
摘要
相变温度是决定形状记忆合金纤
维的加工与使用的重要性能参数。
以
Ni-Ti
合金纤维为例，
为研究其相变过程中温度
与电阻之间的
关系，基于纤维内部马氏体生长模型和电阻的混合定律，建立了
Ni-Ti
合金的电阻特性模型，研究了自由状
态下
Ni-Ti
纤维电阻率与温度之间的关系。
在实验过程中，
设计电阻法温度测量装置及信号采集系统，
对自由状态下的
Ni-Ti
纤维进行测试，通过对纤维电阻率
-
温度曲线求导，寻找纤维电阻率
-
温度曲线上的拐
点，测得
Ni
元素质量分数为
60.4
5%
的
Ni-Ti
纤维试样的四个相变
温度分别为
M
s
=34.4
℃，
M
f
=25.6
℃，
A
s
=39.
4
℃，
A
f
=
51.1
℃，结果表明：相变温度可通过电阻
率
-
温度导函数准确标定；与常规的
DSC
法测试相比，测试纤维电阻更容易消除马氏体相变过程中中间相的干扰，因此能够
准确地探测
Ni-
Ti
合金纤维的相变，并标定其相变温度。
关键词
Ni-
Ti
形状记忆合金；纤维；相变；电阻特性；信号采集
中图分类号：
TP242
文献标志码
Electrical
Resistance Properties Of Ni-Ti Shape Memory Alloy
Fiber
In Phase Transformation
XU Lei, WANG Rui, ZHANG Shujie
(School of Textiles, Tianjin
Polytechnic University, Tianjin
300160, China )
Abstract
Phase
transition
temperatures
are
the
key
parameters
that
decide
the
processing
and
operating
temperatures.
In
this
paper,
the
phase
transformation
of
Ni-Ti
shape
memory
alloy
fiber
was
adopted
as
the
research
object.
An
constitutive
relationship
between
the
resistivity
and
temperature
was
derived
by
l
ogistic’
s
martensite volume growth model and
mixing rule. The electrical resistence property of
a Ni-Ti fiber under free
state
was
described.
In
the
experiment
process,
a
signal
acquisition
system
is
established
to
measure
the
resistance and temperature of the Ni-Ti
fiber. By the derivation of resistance-temperature
curves and the mark of
the inflection
points in the resistance-temperature curve, the
measured phase transition temperatures of the
fiber
sample
with
Ni
mass
fraction
of
60.45%
are
Ms
=
34.4
℃
,
Mf
=
25.6
℃
,
As
=
39.4
℃
and
Af
=
51.1
℃
,
respectively.
The
result
shows
that
the
phase
transition
temperatures
can
be
signficantly
identified
in
the
derivative
curve
of
resistivity
–
temperature.
Compare
with
the
DSC
testing
method,
the
electrical
resistance
method is easier
to eliminate the interference phase in the
martensite transformation, thus can detect the
fiber
phase transformation and identify
the phase transformation temperatures more
accurately.
Key words
Ni-Ti shape memory alloy
alloy;
Fiber;
Phase transformation;
Electrical resistance
property
Signal processing
形状记忆合金
(SMA)
是一种特殊功能材料。
目前已发现几十种合金材料具有形状记忆特性
[1]
，
纺织品领
域
研究应用最多的是
Ni-Ti
合金，
因
其可以加工成直径为
0.07~0.2mm
的均匀细丝，
作为纺织原料加工或植
入织物组织，实现形状控制功能
[2-4]
。由于
Ni-Ti
合金纤维具有良好的形状记忆特性和生物相容性，医学上
已用其编织人造气管支架、血管
支架等
[5,6]
；另外，
Ni-Ti
合金纤维还可用于时装设计，赋予服装动感效果
[7]
。
Ni-Ti
合金的
形状记忆特性来自于其自身的相变。它在不同温度下有两种相态稳定存在，分别为高温
下
的奥氏体相和低温下的马氏体相。
Ni-Ti
合金能够记住其高
温奥氏体状态下的固有形状，这样，在低温
马氏体状态下所产生的塑性变形，当外载荷消
除后可通过加热完全恢复到原奥氏体形状。实际的应用正是
使用这一性能实现驱动效果的
，
因此相变温度决定了合金制品的加工和使用条件。
合金的相变
温度有四个：
作者简介
徐磊，
男，
博士研究生，
研究方向为
Ni-
Ti
合金内植纺织复合材料的振动性能研究，
，
E-mail:
suelee_
1983@
；王瑞，男，教授，
E-mail:
wangrui@
当合金奥氏体
经历降温，发生马氏体相变，其开始和结束温度分别记为
M
s<
/p>
和
M
f
；升温时
，合金由纯马氏
体向奥氏体转变的开始和结束温度分别记为
A<
/p>
s
和
A
f
[8]
。
SMA<
/p>
在发生相变时
,
其刚度、内摩擦等物理性
质均发生变化，因此可用热分析法、振动法、声发射法
等，但是这几种测试方法受试样条
件限制很难用于测试纤维状的
Ni-Ti
合金
< br>[9]
。因此，本文对
SMA
纤
维相
变的电阻特性进行理论分析，建立测试系统，设计一套准确的相变温度测试方法，为
Ni-
Ti
合金在纺织中
的应用提供帮助。
1 Ni-
Ti
合金纤维马氏体相变的电阻模型
假设
Ni-Ti
合金纤维在温度降低时
，其内部马氏体体积增长符合
logistic
的自由生长模型
。
V
m
(<
/p>
T
)
?
1
1
?
e
k
(
T
?
T
0
)
(1)
其中，
V
m
为合金纤维内部马氏体的体积；
k
和
T
0
分
别为表征相变的常数和特征温度，在相变与逆相变中，它们的数值不同：当处于升温阶段时
T
0
=(A
s
+A
f
)/2
，
k=c/(A
f
-A
s
)
；当处于降温阶段时
T
0
=(M
s
+M
f
)/2
，
k=c/(M
f
-M
s
)
；
c
为形状记忆合金的相变常数，
< br>对于
Ni
元素质量分数为
60.
45%
的
Ni-Ti
合金，
c
值为
6.2
。
一般认为，合金纤维处于相变阶段，是一个奥氏体与马氏体分布均匀的
混合物，混合物中，奥氏体由于
其结构致密电阻率要大于马氏体。按照电阻率的混合定律
[10]
：
?
f
?
V
m<
/p>
?
m
?
(
1
?
V
m
)
?
a
(2)
其中，
ρ
f
为
纤维的等效电阻率；
ρ
m
和
ρ
a
分别为纤维内马氏
体和奥氏体的电阻率；
于是得到
Ni-
Ti
合金纤维电阻率与温度之间的关系式：
< br>1
E
?
a
(
T
)
?
E
?
m
(
T
)
（
E = e
k(T-T
0
)
）
(3)
?
(
T
)
?
?<
/p>
?
f
?
m
(
T
)(
1
?
E
)
(
1
?
E
)
< br>?
a
(
T
)
(
1
?
E
)
?
m
(
T
)
?
a
(
T
)
式中，
ρ
a
，
ρ
m
分别为奥氏体和马氏体的电阻率；
E
为马氏体体积含量。
对于金属材料，电阻率与温度
成线性关系，满足
ρ
a
(T)=
ρ
0
+a(T-T
0
)
和
ρ
m<
/p>
(T)=
ρ
1
+b(T-T
0
)
；
< br>
a, b
为温度相关
系数；<
/p>
ρ
0
和
ρ
1
为
T
0
温度下奥氏体和马氏体的电阻率。
由于变量
E
表征相变产生的马氏体体积，
可以认为当
位于相变临界点时，
即
T=A
s
或
T=M
s
，
此时
V
m
<0.2%
，
E
≈
0
，于是可认为
lim
e
?
0
；同理，当
T=A
f
或
T=M
f
时，
V
m
>99.8%<
/p>
，可认为
lim
e
?
??
。
在自由状态下，理论上合金纤维的电阻
-
温度曲线由几段曲线与
线段组成，曲线和线段的交点都表征着
相变的开始或结束，也就是相变临界点所处的位置
。在实际的电阻测试中，从测得的数据中很难准确识别
这些交点，因此需要进一步从曲线
的斜率或曲率上进行判定。
表
1
为几个变量在相变临界点处的极值。最终通过各变量得到的电阻率对温度的导函数在相变点处
的极
值，确定整个电阻率
-
温度曲线的
形状。
表
1
各物理量在相变点处的取值
Tab.1 Values of physical parameters at
phase transition points
物理量
T
E(T)
E
’
(T)
E
’’
(T)
ρ(T)
ρ’(T)
ρ’’(T)
升温曲线
[
A
s
,
A
f
]
li
m
E
(
T
mi
n
)
?
0
；<
/p>
lim
E
(
T<
/p>
max
)
?
??
降温曲线
[
M
f
,
M
s
]
?<
/p>
c
2
c
2
lim
E
'
(
T
min
)
?
0
；
lim
E
'
(
T
max
)
?
??
lim
E
'
'
(
T
min
)
?
0
；
lim
E
'
'
(
T
max
)
?
??
lim
?
(
T
min
)
?
?
m
(
T
min
)
；
lim
?
(
T
max
)
?
?
a
(
T
max
)
2
lim
?
'
(
T
min
)
?
?
m
(
T
min
)
?
a
(
T
min
)
?
?
m
(
T
mi
n
)
；
lim
?
'
(
T
ma
x
)
?
0
<
/p>
lim
?
'
'<
/p>
(
T
min
)<
/p>
?
0
；
lim
?
'
'
(
T
max
)
?
0
由表
1
可以看出，在理想的情况下，在电阻
-
温度曲线中，四个特征相变温度均处于曲线的拐点
< br>
处，其中，曲线在
A
f
与
M
s
处对应的斜率
约为
0
，而在
A
s
与
M
f
点
处对应的斜率均为正值。又由于合金纤维整
体电阻率随温度升高而增加；在合金处于混合
相态时，奥氏体电阻率要大于马氏体，可以推导出理论上，
合金纤维自由状态下的电阻<
/p>
-
温度曲线形状应为如图
1
所示闭合的
”
双
S
”
形状。
降温
电<
/p>
阻
率
(
Ω
·
m
)
A
D
C
升温
B
温 度 (℃)
(a)
升温
降温
电
阻
率
的
导
数
(
Δ
R
/
R
)
C
B
D
A
温 度
(℃)
(b)
图
1
理想状态下的降温
-
升温过程关系曲线
(a)
电阻率
-
温度关系曲线
(b)
电阻率
-
温度导函数
关系曲线
Fig.1 Constitutive
curves of the temperature cycle in ideal
condition(a) resistivity - temperature curve (b)
resistivity -
temperature derivative
curve.
由图
1(a)
可见，在降温阶段，相变还没有开始时，电阻率随温度降低呈线性减小。当温度下降至
M
s
(A
点
)
时，开始发生马氏体相变，电阻率的下降加快。当温度下降到
M
f
(B
点
)
时，相变结束，电阻随
温度的降低又开始呈线性减
小。同样，在升温阶段，由于纯马氏体电阻率对温度并不敏感，在相变发
生之前，
电阻率增加很小，
当温度达到
A
s
(C
点
)
时，
电阻率随温度的上升迅速增加。
当温度达到
A
f
(D
点
)
时，电阻率增加趋于稳定。对于图
1(b)<
/p>
所示的电阻率
-
温度的导函数曲线，降温
和升温阶段各出现一个
峰，峰值处的温度也是相变最活泼的时刻，峰底处曲线斜率变化最
大的位置即为相变关键点。
2
试验
2.1 Ni-
Ti
合金纤维试样
试验中采用的
Ni-Ti
合金纤维来自
天津金属材料研究所。纤维表面镀有抗氧化膜，内部纤维直径为
0.2mm
，
Ni
元素质量分数为
60
.45%
，试样长度为
12cm
。
2.2
装置及方法
本实验自主设计了
Ni-Ti
合金纤维
电阻测试装置，装置由恒流电源、电阻、带有盐溶液的水槽以及
控温室组成，如图
2
所示。
将试样两
端接上导线，在不加任何载荷的情况下，用环氧密封胶将其密封在中空塑料管中，置于
1
00
℃的开水中，稳定几小时，使试样处于奥氏体相态，此时测得
Ni-Ti
合金纤维试样电阻为
5.1Ω
。
将试样接入四电极电桥中，使用恒流电源
(0.5mA)
供电，这样合金纤维电阻的变化就转化成电压信
号。电压信号经信号调理模块后输出。温度采集装置采用改装后的电偶测温装置，根据温度变化输出<
/p>
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