铁基形状记忆自锁耦合器：多轴形状记忆效应与界面接触力学机制研究

本研究针对铁基形状记忆合金(Fe-SMA)管状耦合器在复杂载荷下的性能评估难题，通过系统表征热处理、预应变水平、激活温度及壁厚对界面接触压力的影响，揭示了多轴形状记忆效应(SME)与结构参数的交互机制。研究结合实验与模型分析，量化了Fe-SMA管在受限恢复条件下的压力输出，为优化形状记忆关节设计提供了关键数据支撑，对工程应用具有重要指导意义。

　　

在工程连接技术领域，传统焊接和机械加工接头存在应力集中、工艺复杂等固有缺陷。铁基形状记忆合金(Fe-SMA)因其独特的形状记忆效应(SME)和成本优势，成为替代方案的研究热点。然而，现有研究多局限于单向应力状态下的性能表征，对于管状耦合器在复杂多轴载荷下的SME行为及其界面接触力学机制仍缺乏系统认知。

针对这一科学问题，来自瑞士联邦材料科学与技术研究所(EMPA)的研究团队开展了创新性研究。通过设计Fe-SMA管-钢管的组合实验体系，结合高精度应变测量与虚拟热收缩(VTC)建模方法，首次实现了对形状记忆耦合器界面接触压力的动态量化。相关成果发表在《Materials》期刊，为Fe-SMA在工程连接件的应用提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：(1)采用两阶段热处理(600°C/20h+680°C/8h)优化材料SME性能；(2)商用管端成型设备实现可控预应变(ΔD=1-2mm)；(3)高温应变片(TM11)实时监测钢管内壁主应变；(4)基于弹性理论建立接触压力解析模型；(5)开发VTC有限元方法模拟SME激活过程。

3.1 材料表征
热机械测试显示，热处理使Fe-SMA的0.01%屈服应力从390MPa降至136MPa，促进应力诱导马氏体形成。热激活实验中，As(奥氏体起始温度)约50°C，Af(奥氏体结束温度)随预应变水平升高至350°C。

3.2 接触压力测量
创新性实验装置测得界面压力17-50MPa。热处理使IID27_T3样品接触压力提升98%，壁厚3mm样品较1mm样品压力提高191%。二次加热实验证实接触压力具有温度可逆性。

3.3 自由恢复测试
阶梯式加热(200-500°C)揭示预应变2mm样品在200°C仅实现部分恢复，300°C激活可释放额外SME潜能，但需权衡断裂风险。

3.4 有限元分析
开发的VTC模型(校准系数β=0.8-0.95)成功预测接触压力分布，与实验误差<5%。模拟显示预应变过程中，管壁内侧马氏体体积分数显著高于外侧。

3.5 微观结构表征
EBSD分析证实热处理后VC碳化物析出，预应变导致ε-马氏体梯度分布(内侧含量>外侧)，400°C激活后马氏体逆转变不完全。

该研究系统阐明了Fe-SMA耦合器的性能调控机制：(1)两阶段热处理通过碳化物析出促进SME；(2)预应变水平需控制在1mm(径向)以内以平衡性能与可靠性；(3)壁厚增加通过降低管体柔度显著提升接触压力。这些发现为航空航天、核设施等严苛环境下的智能连接件设计提供了科学指导，特别是解决了受限空间远程装配的技术瓶颈。研究建立的VTC建模框架为复杂形状记忆结构的仿真提供了新思路。