形狀記憶合金乃是一種具備特殊性質(zhì)的金屬材料，其能利用瞬間的熱彈性以及馬氏體相變及其逆變過程中所蘊(yùn)含的獨(dú)特記憶效應(yīng)，使其展現(xiàn)出造型獨(dú)特的奇妙性能。此合金主要由兩種乃至多種元素共同構(gòu)筑，賦予了其無比強(qiáng)大的適應(yīng)力和實(shí)用性。
   而在諸多元素中，鎂這一輕質(zhì)金屬無疑是最為引人注目的存在。以鎂為主導(dǎo)原料所打造的鎂合金，不僅具備質(zhì)量輕盈的顯著優(yōu)勢，更兼具強(qiáng)度高、彈性模量大及抗沖擊能力強(qiáng)等多重優(yōu)良特質(zhì)。形狀記憶鎂合金正是巧妙地融合了上述兩種合金的優(yōu)秀品質(zhì)，從而呈現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕盈、抗沖擊能力強(qiáng)等諸多卓越特性，使得其在航空、航天、醫(yī)療、交通、機(jī)械、電子等眾多領(lǐng)域都有著廣泛且深入的應(yīng)用前景。
   2019年，我國形狀記憶合金產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模為69.87億元；預(yù)計(jì)到2023年，這一數(shù)值將增長至179.66億元。
   近年，科學(xué)家們不斷創(chuàng)新，研發(fā)出許多新型金屬材料，如利用于航空航天領(lǐng)域的鎂合金及具有形狀記憶功能的記憶合金等。然而，由于目前對這些金屬材料的力學(xué)性能預(yù)測困難重重，特別是無法精確描繪材料的屈服軌跡線，使得它們的使用壽命難以精準(zhǔn)預(yù)知。
近日，中南大學(xué)教授丁發(fā)興帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在知名學(xué)術(shù)期刊《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》上發(fā)布了他們的研究成果——構(gòu)建出了一套適用于正交異性金屬損傷比例屈服理論，可快速準(zhǔn)確地預(yù)測金屬材料在不同取向角度下的單軸屈服應(yīng)力變化規(guī)律。通過應(yīng)用該理論，我們能夠精確繪制出各類金屬材料的“變形”軌跡線，進(jìn)而更準(zhǔn)確地預(yù)測其使用壽命。
屈服過程即為材料由彈態(tài)轉(zhuǎn)向塑性的轉(zhuǎn)變過程。研究發(fā)現(xiàn)，諸如鎂合金之類的塑性材料在受力時，由于各向異性的影響，同種壓縮或拉伸方式導(dǎo)致的變形路徑也會有所差異。這對于精確地分析物體所受的力以及合理應(yīng)用材料都有著重大意義。然而，如何描繪出屈服軌跡線的規(guī)律，一直以來都是力學(xué)領(lǐng)域的難題。
早先，科研工作者們主要運(yùn)用空氣動力學(xué)家米塞斯（R.von Mises）于1913年提出的最大形狀改變比能理論來探究金屬材料的屈服原理。丁發(fā)興教授明確表示，其研究揭示了各類金屬材料的強(qiáng)度指數(shù)與損傷對比數(shù)值差異明顯，只要通過對這些力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)測量與科學(xué)計(jì)算，便能準(zhǔn)確勾勒出各種材料的屈服路徑。
丁發(fā)興團(tuán)隊(duì)研究揭示，塑形材料受平面應(yīng)力作用時的屈服軌跡呈現(xiàn)獨(dú)特形態(tài)，例如鎂合金體現(xiàn)出雞蛋般的圓形，形狀記憶合金則呈土豆?fàn)畹膱A形。
丁教授指出，他們的全新理論能對多種金屬材料進(jìn)行精確分析，使得材料利用率大幅提高�！耙燥w機(jī)引擎缸體材料為例，我們通過精準(zhǔn)預(yù)測高溫高壓環(huán)境下的性能，然后選擇最優(yōu)金屬材料來提升材料強(qiáng)度和耐久度，進(jìn)而增強(qiáng)缸體材料的可靠性與使用壽命。”
這項(xiàng)最新研究成果指出，正交異性金屬材料損傷比屈服理論能夠精準(zhǔn)描述包括鎂合金、形狀記憶合金在內(nèi)的多種合金的屈服軌跡，甚至對于超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鈦合金、鎳鉬鎢合金在內(nèi)的眾多雙軸屈服軌跡都有極高的預(yù)測精度。此項(xiàng)研究進(jìn)一步拓展了米塞斯屈服理論，成功地將正交異性與各向同性金屬材料的屈服理論融為一體。
現(xiàn)階段，科研團(tuán)隊(duì)專注于玻璃、石膏和陶瓷等脆性物質(zhì)及復(fù)合材質(zhì)的損傷比參數(shù)測定，同時計(jì)劃將此理論拓展至橫觀各向同性的材料研究，以期為工程實(shí)踐帶來更大價值。