形状记忆合金的研究与展望

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1、形状记忆合金的研究与展望摘要：形状记忆合金是新近崛起的一类高科技功能材料。应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、农业、医学、机械人以至日常用品等领域。本文简要阐述了目前主要的形状记忆合金的类别及其影响形状记忆效应的因素。关键词：形状记忆合金；形状记忆效应；马氏体相变分类号：A715文献标识码：A引言形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys,简称SMA)是新近崛起的一类高科技功能材料。这类合金在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，材料会自动回复到变形前

2、原有的形状，能够大致上恢复至变形前的形状，这种所具有的回复原始形状的能力，称为形状记fc效应(ShapeMemoryEffect，SME)［1］。自该合金发现以来，它以独特的形状记亿效应和超弹性(Superelasticity)而引起人们的注视，并正逐渐得到日益广泛的应用，并在数量上已经跃居马氏体相变研究的首位［2］。形状记记合金的应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、农业、医学、机械人以至日常用品等领域。在应用领域，其发展阶段大致经历了组分的变化及性能的提高。NiTi合金和Cu基合金的开发应用主要集中在

3、上世纪60~80年代，而铁基合金的开发应用相对较晚。但是，这些合金的研究在今年来也一直受到关注，研究从未中断。近年来形状记忆合金研究所取得的进展也主要体现在为NiTi,Cu基和Fe基形状记j乙合金开发应用所进行的基础研究的探索上。1.形状记忆合金的分类1.1钛镍形状记忆合金［3］1963年，W.Buehler等人在美国海军武器实验室发现了钛镍形状记忆合金具有可逆马氏体相变导致形状记忆效应［4］，随后引起了人们的极大兴趣，并很快得到应用。迄今为止，有TiNi形状记忆合金的研究仍在不断地开展，在一系列的国际会议

4、上，如马氏体相变国际会议（ICOMAT）、欧洲马氏体相变会议（ECOMAT）、形状记忆与超弹性国际会议（SMST），形状记忆材料国际会议（S丽）等，都占有很大比重，在有关智能材料和结构方面的国际会议上也占有一定比重。现在，钬镍合金因其兼具新颖的形状记忆、优良的超弹性等力学性能以及抗化学腐蚀性能与出色的生物相容性能已被广泛地应用于土木、机械、控制、电子等工业领域以及医疗器械中。钬镍形状记忆合金兼具良好的生物相容性，特别是多孔钛镍形状记忆合金的开发在医用材料领域引起了极大的关注。多孔镍钛形状记忆合金研究开始于2

5、0世纪60年代，该材料在刚度、强度以及重量分布等方面最符合生物体的要求。其作为骨、关节和牙根等承力植入材料的修复和替换材料有着广泛的应用前景［5］。钬镍形状记忆合金的相变机理是形状记忆与超弹性等力学功能性行为的基础。目前，对于钬镍合金的相图、相变机理、相变产物的组织形貌和晶体结构及合金成分和加工工艺等对相变的影响已基本研究清楚，并在工程实际中得到应用［6-7］。但是随着应用的深人，对钦镍合金的基础研究还远远不够，目前的研究主要集中在马氏体相变的动力学和钛镍合金的多级相变方面。1.2铜基形状记忆合金［6］该类

6、形状记忆合金主要分为Cu-Zn系和Cu-Al系两大类，并且这些铜基材料有一个共同点即母相为体心立方结构（BCC）o与Ni-Ti基记忆合金相比，Cu基记忆合金具有成本低廉的优势，其中Cu-Al-Ni合金还具有足够时效稳定性、热稳定性和高温（可迗近200°C）形状记忆性能。但是，铜基合金易产生晶界断裂和晶粒粗大，导致其力学性能相对较差，严重阻碍了其工程应用。1.3铁基形状记忆合金［7］在铁基合金中发现了形状记忆效应与NiTi合金和Cu基合金相比，铁基形状记忆合金具有强度高、塑性好、易加工、价格低廉、使用方便（不

7、需要在低温保存）等优点，其相变机理与其它记忆合金不同，因此无论在学术上还是在应用领域都有重要研究价值。据最新的研究表明，形状记忆效应与马氏体相变和逆相变等密切相关，为此定义了各相关的温度点。当冷却时马氏体相变开始温度为Ms点，终了温度为Mf点。当加热时马氏体逆相变开始温度为As点，终了温度为Af点，应力诱发马氏体相变的上限为Md点。参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氏体相。形状回复驱动力是在加热温度下，母相与马氏体相的自由能之差.但是，为了使形状恢复完全，马氏体相变必须是晶体学上可逆的热弹性马氏

8、体相变[1]。1.4非晶态形状记忆合金非晶态合金又称金属玻璃，在1980年左右，日本东北大学的井上名久教授制备出了具有较大非晶形成能力的金属玻璃成分，在铸造下其临界尺寸已超过毫米级。临界尺寸迗到1毫米以上的金属玻璃被称为块体金属玻璃。多年来的研究已经证明了非晶态合金具有极高的强度和硬度，其塑性变形能力也展现出了可观的改善。对于非晶态合金的形状记忆效应是在改善其塑性变形能力是发现的。晶体相嵌入在非晶态合金中，该晶向