形状记忆原理及应用

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1、形状记忆合金的记忆效应机理及应用李周2010.9.6形状记忆合金（shapememoryalloy）作为一种新型功能材料已经被广泛使用。该合金可以认为是始于1963年美国海军武器试验室（NavalOrdianaceLaboratory）W.J.Buehler博士的研究小组对TiNi合金的研究。他们发现TiNi合金构件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能和温度相关。进一步研究发现，等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应。后来TiNi合金作为商品进入市场，给等原子比的TiNi合金商品取名为NiTinol，后面的三

2、个字母就是该研究室的3个英文单词的第一个字母。目前形状记忆合金已广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等各个领域。形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马氏体相变有关的形状记忆效应做基础性介绍。一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就发生塑性变形，应力消除后就留下永久变形。但是有些金属材料，在发生了较大变形后（远超过弹性变形极限），经加热到某一温度之上，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（ShapeMemor

3、yEffect）[1]。如图7.1所示。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属元素组成的合金，这种金属合金叫做形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy）。形状记忆效果一般以形状回复率来表示。设试样在母相态时原始形状长度为l0，马氏体态时经形变为l1，经高温逆相变后为l2，则(%)=(l1-l2)/(l1-l0)100%形状记忆合金中的记忆效应是在马氏体相变中发现的。通常把马氏体相变中的高温相叫做母相（P），低温相叫做马氏体相（M），从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变，或马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变。形

4、状记忆效应的分类形状记忆效应有三种形式。第一种称为单向形状记忆效应，即将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生变形，改变其形状，再重新加热到马氏体转变为母相的开始温度As以上，马氏体发生逆转变，温度升至马氏体向母相转变终了温度Af，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。一般没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应。有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从母相再次冷却为马氏体时，自觉回复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。第三种情况是在Ti-Ni合金系中发现的

5、，在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度Ms时开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（Stress-InducedMartensite，简称SIM）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。形状记忆合金记忆效应机理大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。形状记忆机

6、制示意图（拉应力状态）设Ms、Mf分别表示冷却时奥氏体（又称为母相）向马氏转变的开始温度和终了温度，、表示加热时马氏体向奥氏体逆转变的开始温度和终了温度。具有马氏体逆转变，且与温度相差（称为转变的热滞后）很小的合金，将其冷却到点以下，马氏体晶核随着温度下降逐渐长大；温度回升时，马氏体相又反过来同步地随温度上升而缩小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。母相与马氏体相变的晶体学可逆性与有序点阵具有密切的关系，晶体学可逆性通过有序点阵的形成自动得到保障，在母相→马氏

7、体→母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这就是单程记忆效应的原因。上图中：a.将母相冷却到点以下进行马氏体相变，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但在晶体学上是等价的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体(Variant),马氏体变体一般有24种，由于相邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观变形；b.马氏体受外力作用时（加载），变体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶，出现宏观变形；c.由于变形前后马氏体结构没有发生变化，当去除外应力时（卸载）无形状改变；d.当加热高于Af点的温度时，马氏体通过逆转变将恢

8、复到母相形状。注意形状记忆合金在逆转变过程中，单一位向的马氏体不会生成多个位向不同的母相变体。上面已多次提到，相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征，在热弹性马氏体相变