形状记忆效应与超弹性分析

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1、形状记忆效应与超弹性分析韩琪HANQi曰王立涛WANGLi-tao(北京理工大学珠海学院，珠海519000)(BeijingInstituteofTechnology,Zhuhai,Zhuhai519000,China)摘要院木文主要介绍了形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性的原理分析。Abstract:Thispaperhasmainlydescribedtheprincipleanalysisofshapememoryeffectofshapememoryalloysandsuper-elasticity.关键词院形状记忆

2、合金;形状记忆效应;超弹性Keywords:shapememoryalloy；shapememoryeffect；super-elasticity中图分类号院TG139+.6文献标识码院A文章编号院1006-4311(2014)06-0310-020引言形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简利(SMA)是一种具有形状记忆效应和超弹性的金属材料。一般的金属材料形变超过弹性极限时，将产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固相状态下加热时，这种变形不能完全恢复。但形状记忆合金具有形状记忆效应(ShapeMemoryEf

3、fect，简称SME)，所谓形状记忆效应，是指某种材料在较低的温度下或增加应力时经受塑性变形，当升高温度或减少应力时，能够恢复原来形状的一种现象［1］。由于形状记忆合金是一种“有生命的合金”，利用它在一定温度下形状的变化，可以设计出形形色色的自控器件，它的用途也在不断扩大。自20世纪60年代在镍钛合金中发现形状记忆效应以来，经过40多年的研究和开发，目前已经发现的SMA有30余种，可分为三个大类［2］:NiTi基合金、Cu基合金和Fe基合金。1形状记忆效应形状记忆效应与热弹性马氐体相变和逆相变密切相关。如图1为热弹性马氐体相

4、变的温度曲线，其中Ms、Mf分别为马氏体转变的开始温度和终了温度，As、Af分別为马氏体逆转变的幵始温度和终了温度。参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氐体相［3］。形状记忆效应过程示意图如图2所示。当一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，母相完全转化成马氏体，然后在Mf点对其进行一定程度的变形，卸去载荷，变形被保留下来了。把变形了的试样加热到As点以上，马氏体就会逐渐变到母相。温度超过逆转变终点Af时，马氏体全部转冋到母相，此吋试样就自动冋复其在母相吋的形状［4】。具备形状记忆效应的合金一般有如下三个特征：合金

5、能够发生热弹性马氏体相变；母相和马氏体的晶体结构通常是有k序的；母相的晶体结构具有较高的对称性，而马氏体的晶体结构具有较低的对称性。产生形状记忆的机理是源于材料的热弹性马氏体转变［5-6］。马氏体相变是无扩散型晶格相变，也是由于剪切位移而改变晶体结构的相变。在低于马氏体相变点Ms温度下，随着冷却马氏体长大，系统的热化学自由能减少，同时由于相变时产生的原子剪切位移，使系统产生的弹性非化学自由能增大。当系统热化学自由能与弹性非化学自由能两者之差达到最小值时，马氏体长大才告停止。这样，在相变过程中，冷却吋马氏体长大，加热吋马氏体缩

6、小。长大和缩小受热效应与弹性效应两因素平衡条件的制约。可通过温度改变或外加作用力破坏平衡，马氏体才开始长大或缩小。这种马氏体相变称为“热弹性马氏体相变”。由于Ni-Ti合金马氏体变体间的共格界面和自协作特性，马氏体的变形过程是通过李晶界面运动来实现的。当冷却至Mf温度以下，由于立方晶系母相的高对称性，马氏体以自适应方式形成，其3个变体形成三角形自适应形态。由于各个变体的形状变化相互抵消，其宏观平均形状应变几乎为零。加热吋，在As点开始发生马氏体的逆转变，由于菱形结构马氏体点阵的低对称性和原子有序的限制，不会出现多个等效母相变

7、体，马氏体和母相之间具冇特定的对应关系，只冇特定取向的母相晶核才能不断长大，至Af温度时马氏体基本消失，经逆转变得到的母相在晶体学上完全恢复到原始的母相状态，同时形状应变也得到完全恢复，从而产生了单程形状记忆效2超弹性形状记忆合金在较高的温度下(T>Af)具冇另外一种重要性能一一一超弹性。如图3所示，加载吋，随着载荷的增加，奥氏体首先发生弹性变形，当应力增加至一临界应力水平，即相变应力时，应力诱发马氏体相变开始，当应力继续增加时，马氏体相变也继续进行，并产生大的非弹性应变。卸载时，随着应力的减小，马氏体发生逆相变，转变

8、为奥氏体，永久变形消失。如前所述，冷却形成马氏体时，马氏体变体按自适应的方式形成，以达到总的应变能最低的状态，同吋也保持了宏观形状不变。但当马氏体在外力的作用下形成吋，相变应变方向与外力一致的变体形成所需能量最低。因此，改变体在应力作用下优先形核并长大，最终导致形成单一变体的马氏体，并沿外