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1、形状记忆合金的研究现状及应用材料科学与工程学院前言有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称为SMA),这种能力亦称为形状记忆效(ShapeMemoryEffect,简称为SME)。通常,SMA低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是NiTi合金和铜基合金(CuZnAl和Cu
2、AlNi)。1发现历史最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang和Read,他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958年,在铜(CuZn)中也发现了类似的现象。直到1962年,当Buehlerh和其同事们在等原子的N-iTi合金中发现了SME后,对SMA冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME的合金可归纳为以下几类:(a)NiTi系,包括等原子NiTi,TiNiX(X=Fe,Al,Co)；(b)铜系,包
3、括Cu-Zn系,如Cu-Zn,Cu-Zn-X(X=Si，Al,Sn);Cu-Al系,如CuAl2,CuAlNi；(c)其他有色金属系,如CoNi,TiNb,AuCuZn,AuCdAgCd,InTi等；(d)铁基合金,如FePt,FeNiCo,FeMnSi,FeNiCoTi,FeMnC及不锈钢等。虽然目前已经发现的形状记忆合金有30余种。但正式作为商品生产的只有Ni系和Cu基两大类。一般来说,NiTi合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用)、以及超弹性和制备加工性等都比Cu基合金优越,但成本较高。Cu基合
4、金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。2形状记忆效应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原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种合金称为形状记忆合金(ShapememoryAlloy,SMA),所具有的回复原始形状的能力,称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,SME)。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,
5、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体相变。3形状记忆合金的其他特性3.1超弹性在高于Af点、低于Md点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,称为相变拟弹性或超弹性。普通金属材料弹性应变一般不超过0.
6、5%,而超弹性材料的拟弹性应变则达5%~20%[1]。在介入医疗领域有超过80%的产品利用的是Ni-Ti合金的超弹性,它使得合金支架或合金丝具有良好的柔顺性,可以与柔软且复杂的人体内管道很好的贴合[2]。3.2高阻尼特性形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变,生成大量马氏体变体(结构相同、取向不同),变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低,易于迁移,能有效地衰减振动、冲击等外来机械能,因此阻尼特性特别好,可用做防振材料和消声材料。3.3耐磨性在形状记忆合金中独有Ti-Ni合金在高温相(CsCl型体心立方结构)
7、状态下同时具有极好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料,原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件,冷却水净化系统可以长期不检修。3.4逆形状记忆特性将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小的温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复,但再加热到高于200的温度时却逆向地恢复到变形后的形状,称为逆形状记忆特性。4形状记忆合金材料的研究现状至今为止已经研究、开发出十几种记忆合金体系。包括Ag-Cd、Au-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Be、Cu-Au-Zn、Cu-Sn
8、、Cu-Zn、Cu-Zn-X(X=Si、Sn、Al、Ga)、In-Ti、Ni-Al、Ti-Ni、Fe-Pt、Fe-Pd、Mn-Cu、Ti-Ni-Nb、Ti-Ni-X(X=Hf、Pd、Pt、Au、Zr)、Ni-Mn-Ga、Ni-Al-Mn、Ni-Co-Al、Co-Mn、Co-Ni、Co-Ni
