形状记忆合金的性质,应用及效应机制

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1、形状记忆合金的性质，应用及效应机制PKUCCME08杨飏郑志桐朱晗宇潘白龙摘要形状记忆合金是一类具有记忆效应的有序型点阵合金。其发现及应用已经有几十年的历史。本文将以Ti-Ni记忆合金为主，旨在介绍其有关历史发现，性质特点，应用领域，以及其形状记忆效应机制。关键词形状记忆合金、形状记忆效应机制、热弹性马氏体相变、Ti-Ni基形状记忆合金引语形状记忆合金（SMA，ShapeMemoryAlloy）是指一类在特定温度下会回到原先形状的金属材料。一般来说，这种材料会在相对较低的温度下弹性可塑，而处在一个较高的温度下时，则会回到塑型之前的形状。尽管这种形状记忆效应在很多类型的合金

2、中都有发现，但能产生足够回复力以至于完全达到原先的形状的记忆合金，迄今为止只有Ti-Ni合金和铜基记忆合金（例如Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni）。记忆合金的形状记忆效应历史发现形状记忆效应（SME，ShapeMemoryEffect）最早由Chang及Read于1932年在Au-Cd合金中观察到。随后的1938年，Greninger&Mooradian，在Cu-Zn合金中发现了随温度的下降和上升而出现和消失的马氏体相变。在接下来的10年中，Chang&Read,Kurdjumov&Khandros,普遍观察到了形状记忆效应和与温度有关的马氏体相变之间的联系。而Ti-N

3、i记忆合金的发现，则是个纯粹的意外。Ti-Ni合金最早是由美国海军军械实验室(NavalOrdnanceLaboratory)于1962年为加强军舰装甲研制的。在一次实验室例会上，DavidS.Muzzey博士突然对合金的热性能产生了兴趣。他把一块已经弯曲了多次的合金样本加热后，惊奇的发现该样本回到了它最初的形态。Ti-Ni记忆合金也由此得名。（Nitinol，(Ti-NiNavalOrdnanceLaboratory)形状记忆效应机制形状记忆合金的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变。热弹性马氏体相变中，马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以

4、完全相反的过程消失。效应机制中，关键处就在于热弹性马氏体相变，下面来具体说一说。马氏体：马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家AdolfMartens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维情况下）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）或体心立方（BCC）。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之

5、一。片状马氏体板条马氏体针状马氏体马氏体相变：它是母相奥氏体（碳在γ－Fe中形可以恰当而简练的定义为“原子联动成的间隙固溶体，面心立方FCC点阵）所引起的切变型点阵相变”。母相中的原转变为马氏体的过程。子，不是处在各自零散状态，而是在保持联系性的同时切变成“一个压一个地横倒”状态。母相内的点阵与马氏体相内的点阵之间有一一对应关系，当母相是有序点阵时，马氏体相也会形成特定的有序点阵。马氏体相变会伴生一定量的形状变化或表面浮凸。表面浮凸的倾度或直线刻痕的弯折程度都是由母相的晶面取向而定。正是这种形状变化在形状记忆效应中起着变形机制作用。通常，在钢铁的马氏体相变中，马氏体晶粒以

6、非常快的速度形核长大，而且继续降低温度时也不会进一步长大，而是在残余母相中生成新的马氏体晶粒。这种相变方式称为非热弹性马氏体相变。另一方面，在热弹性马氏体相变中，已有的马氏体晶核随温度的降低“以相当于冷却速度的速度，例如人肉眼也能观测得出的速度长大”，并且随升温进行收缩。正是这种热弹性马氏体相变在呈现形状记忆效应中起着最基本的作用。热弹性马氏体相变的驱动力：相变是需要驱动力（drivingforce）的，而马氏体相变的驱动力就源于其中的能量变化。对于热弹性马氏体相变影响能量的因素有两点，即热力学因素（即化学自由能）和力学因素（即非化学自由能，包括界面能，弹性应变能等，这里

7、以弹性应变能为主）。先假设形成了半径为r，平均厚度为2t（r远大于2t)的透镜状马氏体晶核，其近2似体积为πrt。设A为应变能常数，则单位体积的弹性应变能为A,那么其弹性应变能可用下式表示：)=因此，相变过程中的总能量变化（g为单位体积化学自由能变化量）。即只用热力学和弹性两项就可表示出来。在低于点的温度下（相变初始温度），随着冷却的进行马氏晶粒长大，但是当长大到一定程度后，热力学的化学自由能减少与弹性的非化学自由能增加之和达到某一极小值便停止长大。这种热效应和弹性效应之间的平衡状态也就是热弹性这一名称的由来。这就是热弹性马氏