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超弹性镍钛(NiTi)形状记忆合金因其独特的超弹性效应、形状记忆效应和优异的生物相容性,被广泛地应用于汽车、航空航天、机械和生物医学等领域。超弹性NiTi形状记忆合金器件的服役环境不可避免地涉及不同加载频率的循环载荷作用。为了优化超弹性NiTi形状记忆合金器件的服役可靠性并提高其疲劳寿命,必须明确超弹性NiTi形状记忆合金在不同加载频率作用下的循环变形特征。近年来,已有不少学者开展了超弹性NiTi合金在不同加载频率下的单轴拉伸-卸载循环变形实验研究,结果表明超弹性NiTi合金在循环变形过程中呈现出明显的超弹性劣化和热-力耦合现象。然而,绝大部分已有的研究仅仅关注了超弹性NiTi合金整体的循环变形行为,较少关注相变图案的循环演化。因此,有必要对超弹性NiTi合金进行单轴拉伸-卸载的循环变形实验研究,原位记录相变图案的演化并分析循环变形特征和循环相变演化规律;进而,基于相场模拟方法、晶体塑性理论和热力学理论框架,建立NiTi合金的相场分析模型,揭示超弹性NiTi合金热-力耦合循环变形行为的微观机理。为此,本论文对超弹性NiTi形状记忆合金的热-力耦合循环变形行为开展了以下系统的研究:(1)在296K下,采用数字图像相关和红外热成像方法,原位观测了超弹性NiTi形状记忆合金板材在单轴拉伸-卸载循环变形过程中应变场和温度场的演化。结合获得的实验数据,讨论了加载水平和加载速率对超弹性NiTi合金循环变形行为的影响,揭示了超弹性NiTi合金的循环变形特征和相变图案演化规律。丰富了NiTi合金循环变形行为研究的原位观测实验数据。(2)基于相场模拟方法、晶体塑性理论和热力学理论框架,建立了一个能够描述单晶超弹性NiTi合金循环变形行为的三维相场模型。通过相场模拟揭示了NiTi合金超弹性劣化的微观机制为残余马氏体累积和塑性变形。此外,通过考虑热-力耦合作用,分析和解读了单晶超弹性NiTi合金的热-力耦合循环变形行为和率相关效应。(3)将NiTi合金的三维相场模型退化成二维相场模型,进而基于模型的有限元实现,模拟了多晶超弹性NiTi形状记忆合金在单轴拉伸-卸载循环作用下的率相关热-力耦合循环变形行为,揭示了加载水平和加载速率影响循环变形行为的机理。