形状记忆合金讲稿

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1、形状记忆合金一、引言金属具有记忆能力，乍听起来令人不可思议。然而，人们确已获得了这种具有“记忆能力”的金属(ShapeMemeoryAlloy)。人们把SMA合金做成花、鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入不太热的水中，一瞬间，花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动，并且栩栩如生，真如魔术般使人惊叹，这些都是形状记忆合金特异功能的显示。到目前为止，人们对形状记忆效应的物理本质和各种影响因素已经有了较为清晰的认识，形状记忆合金已被确认为一种热驱动的功能材料，人们利用其形状记忆效应，在仪器仪表、电器、自动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程及机器人等领域之中实现广泛应用。二、形状记忆合金的发展形状

2、记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。马氏体相变最初是由德国金属学家Martens在钢中发现。1938年，美国的格里奈哥(Greniger)和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变；随后，俄罗斯的库究莫夫对这种行为进行了研究。他们的研究在当时并没有受到世界的重视。1951年美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应，随后，在InTi合金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。1962年，美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研

3、究，在讨论该项研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，然后在点燃手中雪茄时，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。1963年，军械研究所宣布在TiNi合金丝中发现了形状记忆效应。由于TiNi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀件好、成本相对低廉等许多特点而引起极大关注，人们开始考虑合金形状记忆效应的广泛应用。1970年人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象，并明确这种现象是能够产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。以此为转折点，迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象，如表所示。现在，人们发现有机弹性材料，甚至陶瓷，都可具有形状记忆的功能。具有完全形状

4、记忆效应合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度)点合金成分Ms点/℃合金成分Ms点/℃AgCd11~49at%Cd-190~-50InTi18~23at%Ti50~100AuCd46.5~50at%Cd30~100NiAl36~38at%Al-100~100CuAlNi14~14.5at%Al,3~4.5at%Ni-140~100TiNi49`~51at%Ni-50~100CuAuZn23~28at%Au,45~47at%Zn-150~100FePt~25at%Pt~-130CuSn15at%Sn-120~30FePd~30at%Pd~-100CuZn38.5~41.5at%-

5、180~-10MoCu5~35at%Cu-250~180三、形状记忆合金的原理形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，16在某一低温状态下(处于马氏体状态)进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度(通常是指该材料马氏体消失温度Mf)时，材料完全恢复到变形前的初始形状。具有形状记忆效应的合金材料称为形状记忆合金。形状记忆效应与材料中的马氏体相变密切相关。要了解形状效应的原理，首先应该了解马氏体相变。3.1、热弹性马氏体相变钢在高温奥氏体相区淬火时，原来的面心立方点阵的奥氏体晶粒内以原子无扩散形式转变成体心立方结构，这就是钢的马氏体相变。通常把

6、马氏体开始相变开始和相变结束的温度分别表示为Ms和Mf，而把马氏体逆相变(转变成奥氏体)的温度分别表示为As和Af。马氏体相和母相化学自由能差随温度变化与马氏体相变的关系为使P(母相)-M(马氏体相)相变产生，M相的化学自由能必须低于P相，但相变还需要相变应变能、界面能等多余的非化学自由能，所以如果两相之间的化学自由能差不超过其非化学自由能，相变就不能开始，也就是说相变需要驱动力，如果不过冷到适当低于T0(P相和M相化学自由能达到平衡的温度)的温度Ms，相变就不能进行，而且，逆相变也需要驱动力，必须过热到适当高于T0的温度As。To和Ms之差称为过冷废，钢铁马氏体相变的过冷度为2

7、00℃左右，而形状记忆合金的过冷度为5-30℃。在低于Ms温度下，在马氏体片形成以后，界面上的弹性变形是随着马氏体片长大而增大的。当长大到一定程度后，这种弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加到与相变的化学自由能的减少相等时，马氏体和母相达到了一种热弹性平衡状态，马氏体便停止长大。这种热效应和弹性效应之间的平衡状态就是热弹性这一名称的由来。然而，此时形变并未超过弹性极限，若温度继续下降，则因马氏体相变驱动力增加，马氏体片又继续长大。此时出现新的马氏体片长大也是可能的。当温度升高使