1、形状记忆合金,20141451011 产品设计：张锐,一、什么是形状记忆效应 二、形状记忆效应的性质 三、形状记忆合金材料的特点 四、形状记忆合金的应用 五、材料学方面的问题,一，什么是形状记忆效应:,形状记忆效应的发现：1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金的形状记忆效应。在一次试验中他们将试验用弯曲的镍-钛合金丝拉直后升温试验时，发现已经被拉直的镍-钛合金丝突然又全部恢复到原来弯曲的形状, 而且和原来一模一样, 具有良好的形状记忆效应。,合金的这种记忆效应是由合金的 “相变化”来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各
2、领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料“。,形状记忆效应示意图：,(1) 单程记忆效应,形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。,（2）双程记忆效应,某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。,（3）全程记忆效应,加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。,三种记忆效应如下图所示。,目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。,钢淬火变硬的现象,马氏体相变晶体学模型,f.c.c. b.
3、c.c,马氏体相变,二、形状记忆效应的性质,马氏体相变平面示意图,马氏体相变的基本特征,无扩散切变型相变 点阵不变平面应变 固定取向关系 马氏体片内具有亚结构 相变具有可逆性,临界转变温度,马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相，称为冷却相变，用Ms、Mf分别表示马氏体相变开始与终了的温度。 加热时发生马氏体逆变为母相的过程。该逆相变的起始和终止温度分别用As与Af表示。,马氏体相变的一些临界温度,一般材料的相变温度滞后（As-Ms）非常大，例如Fe-Ni合金约400。各个马氏体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不会随温度降低而再长大。在记忆合金中，相变滞后程度小
4、，例如Au-47.5%Cd（原子分数）合金的相变滞后仅为15。冷却过程中形成的马氏体会随着温度变化而继续长大或收缩，母相与马氏体相的界面随之进行弹性式的推移。,形状记忆效应与其组织变化有关，这种组织变化就是马氏体相变。形状记忆合金应具备以下三个条件：,马氏体相变是热弹性类型的；马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移产生； 母相和马氏体相均属有序结构。,由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的方向是不同的。当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已形成的变体周围会形成新的变
5、体，新变体的应变方向与已形成的变体的应变场互相抵消或部分抵消。有均匀体积变化，无明显形状改变。,马氏体的自适应形成,对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外加应力相适应而再取向。即变体的应变方向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相适应的变体而长大，直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转变成一个变体。样品显示出宏观形状的变化。卸去应力后，变形保持下来。,马氏体的再取向,只有将其加热到Af以上，由于热弹性马氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只能回到原有
6、的母相状态，这样也就回复到原状。这就是形状记忆的基本原理。,由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合金应具备如下条件： 马氏体相变是热弹性的；但只是必要条件 马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或位错； 母相和马氏体均为有序点阵结构； 相变时在晶体学上具有完全可逆性。,必须指出的是：近来开发的铁系等少量合金通过非热弹性马氏体相变也可显示形状记忆效应，因此热弹性马氏体并不是具有形状记忆效应的必要条件。近年来，在陶瓷材料、高分子材料也发现了记忆效应。,相变超弹性,马氏体还可由应力诱发产生， 在高于Ms的某一温度（Md）以下对合金施加外力引起马氏体相变所形成的马氏体称应力诱发马氏体。应力去除后，变形
7、马氏体又变回该温度下的稳定母相，恢复母相原来形状，应变消失,这种现象称超弹或伪弹性,应力诱发马氏体相变的合金的马氏体数量为外加应力的函数，即当施加的外应力增加时，母相转变成马氏体相的数量增加，当应力减少时则进行逆相变使母相增多。,外应力对诱发相变的作用不仅与合金种类有关，而且受试验温度的影响。在Ms以上，某一定温度以下，应力或形变会导致马氏体的形成，将此温度称为Md温度。,形状记忆过程,马氏体自适应形（Ms Mf） 宏观均匀变形，无明显形状变化,马氏体再取向（ Mf以下施加一定限度内的应力），有明显形状变化,马氏体逆转变回母相，形状变化消失,施加应力马氏体沿应力方向择优形成（Md以下），有明显
8、形状变化,卸除应力马氏体逆转变回母相（Af以上），形状变化消失,超弹性过程,三、形状记忆合金材料的特点,已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。,1、Ni-Ti形状记忆合金,基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳，耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、生物相容性好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。,用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到舱面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。,
9、表征材料记忆性能的主要参数：包括记忆合金随温度变化所表现出的形状回复程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，也就是经历一定热循环或应力循环后记忆特性的衰减情况。此外，相变温度及正、逆相变的温度滞后更是关键参数。 影响记忆特性主要参数的因素有：合金的成分、成材工艺、热处理(包括冷、热加工)条件及其使用情况等。,1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1，相变温度降低10。 2)第三元素: Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni可减少相变滞后，节约合金成本；Nb使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。 4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。,(2) 影响相变温
10、度的因素,(3) 合金制备,由高纯电介镍与海绵钛作原料，采用高频感应炉与自耗炉(电弧熔炼法)或等离子体与电弧熔炼法获得了TiNi合金铸锭。随后在700800进行热加工，包括模锻、挤压及轧制。丝状产品可通过冷拔，每次加工率小于20，为消除加工硬化，冷加工期间可在700-800进行多次退火。,五、形状记忆合金的应用,形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。,1. 工业上的应用连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外径小4%，在Ms以下
11、马氏体非常软，可将接头扩张插入管子，在高于As的使用温度下，接头内径将复原。,利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。,SMA火灾报警器,在航天上，可用形状记忆合金制作航天用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面形，在马氏体状态下压成团，送上太空后,在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超弹性合金作为机械储能材料也很有前景。,用记忆合金制作的眼镜架。当这种眼镜架弯曲时，只要将它放入55。C的温水中，即可恢复到原来的形状 。,四、材料学方面的问题,形状记忆合金在应用上还存在不少材料学方面的问题. 相变点调整：相变点与合金种类、成分及热处理条件有关, 尤其对成分非常敏感。如Ti-Ni合金Ni含量(at)由50%变到51%时，Ms点则由60变到-30，As点由78变到-12。对Ti-Ni合金可用不同相变点粉末混合, 使相变点控制在2之内。 淬透性：合金缓冷时大多要发生共析分解，需要提高淬透性, 可通过合金化解决。如在Cu-Zn合金中加Al.,谢谢观看,
