Fe‑SMA的材料特性及在土木工程中的应用进展

张哲熹; 方成; 王伟; 陈以一

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.202111009

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Fe‑SMA的材料特性及在土木工程中的应用进展

综述 | 更新时间：2025-09-25

- Fe‑SMA的材料特性及在土木工程中的应用进展
- Material Properties of Fe‑SMA and Its Application in Civil Engineering
- 防灾减灾工程学报 2022年42卷第2期页码：411-424
- 作者机构：
  
  1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092
  2.同济大学建筑工程系，上海 200092
- 作者简介：
  
  张哲熹（1997—），男，博士研究生。主要从事形状记忆合金-抗震韧性结构方面的研究。E-mail:zzx888@tongji.edu.cn
  方成（1985—），男，副教授，博导，博士。主要从事抗震韧性结构方面的研究。E-mail:chengfang@tongji.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51778456;52078359)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.202111009
  中图分类号： TB381;TU511.3
- 纸质出版：2022-04-28
- 稿件说明：
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张哲熹,方成,王伟等.Fe‑SMA的材料特性及在土木工程中的应用进展[J].防灾减灾工程学报,2022,42(02):411-424.

ZHANG Zhexi,FANG Cheng,WANG Wei,et al.Material Properties of Fe‑SMA and Its Application in Civil Engineering[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(02):411-424.
张哲熹,方成,王伟等.Fe‑SMA的材料特性及在土木工程中的应用进展[J].防灾减灾工程学报,2022,42(02):411-424. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202111009.

ZHANG Zhexi,FANG Cheng,WANG Wei,et al.Material Properties of Fe‑SMA and Its Application in Civil Engineering[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(02):411-424. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202111009.

摘要

铁基形状记忆合金（Fe‑SMA）拥有可靠的形状记忆效应及优异的抗低周疲劳性能，在土木工程领域具有较为广阔的应用前景。材料特性方面，重点介绍Fe‑SMA形状记忆效应及应力作用下亚结构层面相变机理，在此基础上阐述单调及循环加载下Fe‑SMA的力学性能；工程应用方面，对Fe‑SMA的主要应用范围及相应关键技术进行总结，详细回顾Fe‑SMA构件的构造形式、工作机理和力学性态，对不同技术实施方案的特点、优势和潜在不足进行评述。指出需进一步明确Fe‑SMA阻尼构件的耗能破坏模式、变形相容条件和恢复力机制，建立损伤可控的Fe‑SMA耗能元组件结构体系设计方法。

Abstract

Iron-based shape memory alloys （SMAs） are materials that have shape-memory effect as well as outstanding low-cycle fatigue resistance， leading to a broad application prospect in civil engineering. This paper presents the fundamentals of the martensitic transformation of Fe-SMA and some key properties， such as corrosion resistance， weldability and mechanical properties under monotonic or cyclic loading. This is followed by a description of their practical applications like structural reinforcement and seismic dampers. In terms of engineering application， the main application scope and corresponding key technologies of Fe-SMA are summarized， and the structural form， working mechanism and mechanical properties of Fe-SMA components are especially reviewed. The characteristics， advantages and potential disadvantages of different technical implementation schemes are commented. It is mentioned that the energy dissipation failure mode， deformation compatibility and restoring force mechanism of Fe-SMA damping members need to be further clarified， and complete design principle of damage-controllable Fe-SMA-based structure system needs to be established.

关键词

Keywords

references

Janke L . Applications of shape memory alloys in civil engineering structures-Overview， limits and new ideas ［J］. Materials and Structures ， 2005 ， 38 （June 2005 ）： 578 - 592 .

Sawaguchi T ， Sahu P ， Kikuchi T ， et al . Vibration mitigation by the reversible fcc/hcp martensitic transformation during cyclic tension‑compression loading of an Fe‑Mn‑Si-based shape memory alloy ［J］. Scripta Materialia ， 2006 ， 54 （ 11 ）： 1885 - 1890 .

Sawaguchi T ， Bujoreanu L G ， Kikuchi T ， et al . Mechanism of reversible transformation-induced plasticity of Fe‑Mn‑Si shape memory alloys ［J］. Scripta Materialia ， 2008 ， 59 （ 8 ）： 826 - 829 .

Baruj A ， Betolino G ， Troiani H E . Temperature dependence of critical stress and pseudoelasticity in a Fe‑Mn‑Si‑Cr pre-rolled alloy ［J］. Journal of Alloys & Compounds ， 2010 ， 502 （ 1 ）： 54 - 58 .

Cladera A ， Weber B ， Leinenbach C ， et al . Iron-based shape memory alloys for civil engineering structures： An overview ［J］. Construction & Building Materials ， 2014 （ 63 ）： 281 - 293 .

Sawaguchi T ， Kikuchi T ， Kajiwara S . The pseudoelastic behavior of Fe‑Mn‑Si-based shape memory alloys containing Nb and C ［J］. Smart Materials & Structures ， 2005 ， 14 （ 5 ）： S317 - S322 .

Lee W J ， Weber B ， Feltrin G ， et al . Phase transformation behavior under uniaxial deformation of an Fe‑Mn‑ Si‑Cr‑Ni‑VC shape memory alloy ［J］. Materials Science & Engineering： A， 2013 ， 581： 1 - 7 .

Arabi-Hashemi A ， Lee W J ， Leinenbach C . Recovery stress formation in FeMnSi based shape memory alloys： Impact of precipitates， texture and grain size ［J］. Materials & Design ， 2017 ， 139 ： 258 - 268 .

Wang C P ， Wen Y H ， Peng H B . Factors affecting recovery stress in Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C shape memory alloys ［J］. Materials Science & Engineering： A， 2011 ，528： 1125 - 1130 .

Wen Y H ， Li N ， Xiong L R . Composition design principles for Fe‑Mn‑Si‑Cr‑Ni based alloys with better shape memory effect and higher recovery stress-ScienceDirect ［J］. Materials Science & Engineering： A， 2005 ， 407 （ 1/2 ）： 31 - 35 .

建筑抗震设计规范： GB 50011—2010 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2010 .

钢结构设计标准： GB 50017—2017 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2018 .

Ghafoori E ， Hosseini E ， Leinenbach C ， et al . Fatigue behavior of a Fe-Mn-Si shape memory alloy used for prestressed strengthening-ScienceDirect ［J］. Materials & Design ， 2017 ， 133 ： 349 - 362 .

Frommeyer G ， Brux U ， Neumann P . Supra-ductile and high-strength manganese TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes ［J］. Isij International ， 2003 ， 43 （ 3 ）： 438 - 446 .

Schranz B ， Czaderski C ， Shahverdi M ， et al . Ribbed iron-based shape memory alloy bars for pre-stressed strengthening applications ［C］∥ International Association for Bridge and Structural Engineering Symposium . Guimarães ：［s.n.］， 2019 ： 1 - 8 .

Rasmussen K J R . Full-range stress-strain curves for stainless steel alloys ［J］. Journal of Constructional Steel Research ， 2003 ， 59 （ 1 ）： 47 - 61 .

Maruyama T ， Kubo H . 12‑Ferrous （Fe-based） shape memory alloys （SMAs）： properties， processing and applications ［J］. Shape Memory & Superelastic Alloys ， 2011 ： 141 - 159 .

不锈钢和耐热钢牌号及化学成分： GB/T 20878—2007 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2007 .

方成，王伟，陈以一 . 基于超弹性形状记忆合金的钢结构抗震研究进展［J］. 建筑结构学报， 2019 ， 40 （ 7 ）： 1 - 12 ．

Fang C ， Wang W ， Chen Y Y . State-of-the-art for application of superelastic shape memory alloy in seismic resistant steel structures ［J］. Journal of Building Structures ， 2019 ， 40 （ 7 ）： 1 - 12 . （in Chinese）

Roy S C ， Goyal S ， Sadnhya R ， et al . Low cycle fatigue life prediction of 316 L（N） stainless steel based on cyclic elasto-plastic response ［J］. Nuclear Engineering & Design ， 2012 ， 253 ： 219 - 225 .

Koster M ， Lee W J ， Schwarzenberger M ， et al . Cyclic deformation and structural fatigue behavior of an Fe‑ Mn‑Si shape memory alloy ［J］. Materials Science & Engineering： A， 2015 ， 637： 29 - 39 .

Nagashima N ， Sawaguchi T ， Ogawa K . Low Cycle Fatigue Properties of Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.5NbC Alloy ［J］. Tetsu to Hagane ， 2016 ， 102 （ 9 ）： 517 - 524 .

Rosa D I H ， Hartloper A ， Sousa A D C E ， et al . Experimental behavior of iron-based shape memory alloys under cyclic loading histories ［J］. Construction and Building Materials ， 2021 ， 272 ： 1 - 14 .

Nip K H ， Gardner L ， Da V C M ， et al . Extremely low cycle fatigue tests on structural carbon steel and stainless steel ［J］. Journal of Constructional Steel Research ， 2010 ， 66 （ 1 ）： 96 - 110 .

Nagashima N ， Sawaguchi T . Influence of transformation pseudoelasticity and accumulated plastic strain on low cycle fatigue characteristics of Fe-30Mn-4Si-2Al alloy ［J］. Tetsu to Hagane ， 2018 ， 104 （ 7 ）： 393 - 399 .

Fang C ， Yam M C H ， Lam A C C ， et al . Cyclic performance of extended end-plate connections equipped with shape memory alloy bolts ［J］. Journal of Constructional Steel Research ， 2014 ， 94 ： 122 - 136 .

Fang C ， Wang W ， He C ， et al . Self-centring behaviour of steel and steel-concrete composite connections equipped with NiTi SMA bolts ［J］. Engineering Structures ， 2017 ， 150 ： 390 ‑ 408 .

Fang C ， Yam M C H ， Ma H W ， et al . Tests on superelastic Ni‑Ti SMA bars under cyclic tension and direct-shear： towards practical recentring connections ［J］. Materials and Structures ， 2015 ， 48 （ 4 ）： 1013 - 1030 .

Fang C ， Yam M C H ， Chan T M ， et al . A study of hybrid self-centring connections equipped with shape memory alloy washers and bolts ［J］. Engineering Structures ， 2018 ， 164 ： 155 - 168 .

Fang C ， Wang W ， Ricles J ， et al . Application of an innovative SMA ring spring system for self-centering steel frames subject to seismic conditions ［J］. Journal of Structural Engineering ASCE ， 2018 ， 144 （ 8 ）： 04018114 .

Fang C ， Wang W ， Zhang A ， et al . Behavior and design of self-centering energy dissipative devices equipped with superelastic SMA ring springs ［J］. Journal of Structural Engineering ASCE ， 2019 ， 145 （ 10 ）： 04019109 .

Nikulin I ， Sawaguchi T ， Kushibe A ， et al . Effect of strain amplitude on the low-cycle fatigue behavior of a new Fe-15Mn-10Cr-8Ni-4Si seismic damping alloy ［J］. International Journal of Fatigue ， 2016 ， 88 ： 132 - 141 .

Fang C ， Wang W ， Ji Y Z ， et al . Superior low-cycle fatigue performance of iron-based SMA for seismic damping application ［J］. Journal of Constructional Steel Research ， 2021 ， 184 ： 1 - 15 .

Tsuzaki K . Effect of alloying composition on low-cycle fatigue properties and microstructure of Fe-30Mn-（6‑x）Si-xAl TRIP/TWIP alloys ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2013 ， 587 ： 192 - 200 .

施刚，高阳，王珣，等 . 低屈服点钢低周疲劳性能研究［J］. 土木工程学报， 2019 ， 52 （ 1 ）： 20 - 26，52 .

Shi G ， Gao Y ， Wang X ， et al . Low cycle fatigue properties of low yield point steels ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2019 ， 52 （ 1 ）： 20 - 26，52 . （in Chinese）

Ma R ， Peng H ， Wen Y ， et al . Oxidation behavior of an austenitic stainless Fe-Mn-Si-Cr-Ni shape memory alloy ［J］. Corrosion science ， 2013 ， 66 ： 269 - 277 .

Rovere C A D ， Alano J H ， Silva R ， et al . Influence of alloying elements on the corrosion properties of shape memory stainless steels ［J］. Materials Chemistry & Physics ， 2012 ， 133 （ 2/3 ）： 668 - 673 .

Rovere C A D ， Alano J H ， Otubo J ， et al . Corrosion behavior of shape memory stainless steel in acid media ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2011 ， 509 ： 5376 - 5380 .

Lin H C ， Lin K M ， Chuang Y C ， et al . The welding characteristics of Fe-30Mn-6Si and Fe-30Mn-6Si-5Cr shape memory alloys ［J］. Journal of Alloys & Compounds ， 2000 ， 306 （ 1/2 ）： 186 - 192 .

Dong Z Z ， Sawaguchi T ， Kajiwara S ， et al . Microstructure change and shape memory characteristics in welded Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.53Nb-0.06C alloy ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2006 ， 438 ： 800 - 803 .

Qiao Z ， Li L ， Wang D ， et al . Microstructure and shape recovery characteristics in a TIG-welded Fe-Mn-Si-Cr-Ni shape memory alloy ［C］∥ International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering . Harbin ： International Society for Optics and Photonics ， 2007 ： 1 - 6 .

Maruyama T ， Kurita T ， Kozaki S ， et al . Innovation in producing crane rail fishplate using Fe‑Mn‑Si‑Cr based shape memory alloy ［J］. Materials Science and Technology ， 2008 ， 24 （ 8 ）： 908 - 912 .

Tanahashi H ， Maruyama T ， Kubo H . Applications of Fe-Mn-Si alloy for pipe joints ［J］. Ecomaterials ， 1994 ： 1149 - 1154 .

Kajiwara S ， Baruj A L ， Kikuchi T ， et al . Low-cost high-quality Fe-based shape memory alloys suitable for pipe joints ［J］. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering ， 2003 ， 5053 ： 250 - 261 .

Soroushian P ， Ostowari K ， Nossoni A ， et al . Repair and strengthening of concrete structures through application of corrective posttensioning forces with shape memory alloys ［J］. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board ， 2001 ， 1770 ： 20 - 26 .

Hosseini A ， Ghafoori E ， Motavalli M ， et al . Flat prestressed unbonded retrofit system for strengthening of existing metallic I-Girders ［J］. Composites Part B ， 2018 ， 155 ： 156 - 172 .

Hosseini A ， Michels J ， Izadi M ， et al . A comparative study between Fe‑SMA and CFRP reinforcements for prestressed strengthening of metallic structures ［J］. Construction and Building Materials ， 2019 ， 226 ： 976 - 992 .

Ghafoori E ， Neuenschwander M ， Shahverdi M ， et al . Elevated temperature behavior of an iron-based shape memory alloy used for prestressed strengthening of civil structures ［J］. Construction and Building Materials ， 2019 ， 211 ： 437 - 452 .

Izadi M R ， Ghafoori E ， Shahverdi E M ， et al . Development of an iron-based shape memory alloy （Fe‑SMA） strengthening system for steel plates ［J］. Engineering Structures ， 2018 ， 174 ： 433 - 446 .

Izadi M R ， Ghafoori E ， Motavalli M ， et al . Iron-based shape memory alloy for the fatigue strengthening of cracked steel plates： Effects of re-activations and loading frequencies ［J］. Engineering Structures ， 2018 ， 176 ： 953 - 967 .

Izadi M R ， Hosseini A ， Michels J ， et al . Thermally activated iron-based shape memory alloy for strengthening metallic girders ［J］. Thin-Walled Structures ， 2019 ， 141 ： 389 - 401 .

Izadi M R ， Motavalli M ， Ghafoori E . Iron-based shape memory alloy （Fe‑SMA） for fatigue strengthening of cracked steel bridge connections ［J］. Construction and Building Materials ， 2019 ， 227 ： 1 - 17 .

Michels J ， Shahverdi M ， Czaderski C ， et al . Iron based shape memory alloy strips， part 2： flexural strengthening of RC beams ［C］∥ Fourth International Conference on Smart Monitoring，Assessment and Rehabilitation of Civil Structures . Switzerland ： EMPA ， 2017 ： 1 - 9 .

Cladera A ， Montoya-coronado L A ， Joaquín G R ， et al . Shear strengthening of slender reinforced concrete T-shaped beams using iron-based shape memory alloy strips ［J］. Engineering Structures ， 2020 ， 221 ： 1 - 14 .

Czaderski C ， Shahverdi M ， Broennimann R ， et al . Feasibility of iron-based shape memory alloy strips for prestressed strengthening of concrete structures ［J］. Construction & Building Materials ， 2014 ， 56 ： 94 - 105 .

Hong K ， Lee S ， Han S ， et al . Evaluation of Fe-based shape memory alloy （Fe‑SMA） as strengthening material for reinforced concrete structures ［J］. Applied Sciences ， 2018 ， 730 （ 8 ）： 1 - 16 .

Schranz B ， Czaderski C ， Vogel T ， et al . Bond investigations of prestressed， near-surface-mounted， ribbed memory-steel bars with full bond length ［J］. Materials & Design ， 2020 ， 196 ： 1 - 20 .

Schranz B ， Czaderski C ， Vogel T ， et al . Bond behaviour of ribbed near-surface-mounted iron-based shape memory alloy bars with short bond lengths ［J］. Materials & design ， 2020 ， 191 ： 1 - 17 .

Shahverdi M ， Czaderski C ， Motavalli M . Iron-based shape memory alloys for prestressed near-surface mounted strengthening of reinforced concrete beams ［J］. Construction & Building Materials ， 2016 ， 112 ： 28 ‑ 38 .

Hong K ， Lee S ， Yeon Y ， et al . Flexural response of reinforced concrete beams strengthened with near surface mounted Fe-based shape memory alloy strips ［J］. International Journal of Concrete Structures and Materials ， 2018 ， 12 （ 45 ）： 1 - 13 .

Shahverdi M ， Czaderski C ， Annen P ， et al . Strengthening of RC beams by iron-based shape memory alloy bars embedded in a shotcrete layer ［J］. Engineering Structures ， 2016 ， 117 ： 263 - 273 .

Czaderski C ， Shahverdi M ， Michels J . Iron based shape memory alloys as shear reinforcement for bridge girders ［J］. Construction and Building Materials ， 2020 ， 274 ： 1 - 16 .

Rojob H ， El-hacha R . Ductility behavior of RC beams strengthened in flexure with NSM Iron-based shape memory alloy bars ［C］∥ Third Conference on Smart Monitoring， Assessment and Rehabilitation of Civil Structures . Switzerland ： EMPA ， 2015 ： 1 - 8 .

Symans MD ， Charney F A ， Whittaker A S ， et al . Energy dissipation systems for seismic applications： current practice and recent developments ［J］. Journal of Structural Engineering ， 2008 ， 134 （ 1 ）： 3 - 21 .

De Domenico D ， Ricciardi G ， Takewaki I . Design strategies of viscous dampers for seismic protection of building structures： A review ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2019 ， 118 ： 144 - 165 .

Inoue Y ， Kushibe A ， Umemura K ， et al . Fatigue-resistant Fe-Mn-Si-based alloy seismic dampers to counteract long-period ground motion ［J］. Japanese Architecture Review ， 2021 ， 4 （ 1 ）： 76 ‑ 87 .

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