形状记忆合金(SMA)讲解
形状记忆合金的制备及性能研究
形状记忆合金的制备及性能研究形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一种能够自主恢复形状的金属材料，具有广泛的应用领域，比如航空、汽车、医疗器械等。
它能够在外力或热力刺激下发生可逆形变，因此又被称为“记忆合金”。
下面，我们就来详细探讨一下形状记忆合金的制备及性能研究。
一、形状记忆合金的制备方法1. 等离子弧熔炼法等离子弧熔炼法是一种将纯金属或合金加热、熔化后急速冷却的方法。
这种制备方法能够制造出比较均匀的形状记忆合金，但是成本比较高。
2. 电弧熔炼法电弧熔炼法是将金属棒、丝等导体加热到熔点后用弧线将其喷出，制造出形状记忆合金的方法。
这种制备方法成本较低，但是合金的质量不如等离子弧熔炼法制造的优质。
3. 热机械变形法热机械变形法是将金属坯料加热到合金的相变温度，然后进行拉伸、压缩、扭转等变形，形成指定形状的铸锭。
这种方法能够制造成形状记忆合金的微型结构，生产成本较低。
二、形状记忆合金的性能研究1. 快速回弹性能形状记忆合金的快速回弹性能是指在外力作用下快速恢复原始形状的能力。
该性能的研究方法为采用脉冲能量、过冷膨胀等测试方法进行实验研究，该性能的提高会大大提高形状记忆合金的实际使用效果。
2. 环境适应性能形状记忆合金应用于不同的环境条件，温湿度等变化对其硬度、弹性等性能都会产生影响。
而形状记忆合金的适应环境条件的能力，是提高其实际使用寿命的关键。
3. 相变行为相变行为是指形状记忆合金在受到外界刺激时，发生相变的过程。
具体研究方法包括差示扫描量热、X射线衍射、电阻变化等方法。
相变行为对形状记忆合金的应用性能具有至关重要的影响。
总之，形状记忆合金作为一种高性能合金材料，在航空、汽车、医疗器械等领域有着广泛的应用。
其制备方法和性能研究是提高其工业化应用的关键。
未来，需要进一步研究和探索形状记忆合金的制备方法和性能变化机理，推动其更广泛的应用。
形状记忆合金原理
形状记忆合金原理
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有形状记
忆能力的特殊合金，其在受到应力或变形后可以自动回复到原来任意形状
和尺寸，是一种智能材料。
一般由钢等热处理后形成的高强度合金，如果
该合金中包括一定量的特殊金属元素铬、锰、钛、铅、铝等，就会具有形
状记忆能力。
具体原理是在合金中特殊元素受热后，在温度上出现两个转
变点，这两个转变点两侧的金属组织具有不同的结构和性能，其中一种结
构可以被一定程度地力学变形，而另一种结构则拥有更高的强度和刚性，
其可以抵抗变形，形状记忆合金在室温处于抗变形组织状态，在100℃之
下则又处于可变形状态，这时原有形状受到改变变形，当金属回到室温时，它又可以恢复原来的形状。
新型材料—形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用
摘要形状记忆合金是一种在结构振动控制领域具有广泛应用前景的智能材料。
本文介绍形状记忆合金最显著的两个性质：状记忆效应和超弹性，并详细的总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。
关键字：形状记忆合金；减振；应用ABSTRACTThe shape memory alloy is an intelligent material，which has a goodprospect in the field of structural vibration control．This thesis introduces that the shape memory alloy has two very important characteristics：shape memory effect and super elastic，and an overview of SMA applications in structuralvibration control are summarized．KEYWORDS：Shape memory alloy；Damping；Application1 前言形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMAs)是一种具有多种特殊力学性能的新型功能材料,利用形状记忆合金超弹性效应(Superelastic Effect,简称SE)设计的被动耗能器与其他的金属耗能器相比,具有耐久性和耐腐蚀性能好、使用期限长、允许大变形并且变形可回复等一系列优点,因此在结构振动控制领域具有很好的应用前景[1-4]。
形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。
例如,Graesser[5]等人提出的用于桥梁结构的2 形状记忆合金的发展历程形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者Olander在AuCd 合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1:1的CsCI型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变，但是都未引起人们足够的注意。
形状记忆合金的性质,应用及效应机制
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 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 转变为马氏体的过程。
可 以 恰 当 而 简 练 的 定 义 为“ 原 子 联 动 所 引 起 的 切 变 型 点 阵 相 变 ”。母 相 中 的 原 子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常 小 ，因 而 逆 相 变 时 母 相 变 体 完 全 固 定 不 变 。这 样 一 来 ，逆 相 变 时 必 然 选 取 原 位 向 的 母 相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出 现 滑 移 ，由 滑 移 导 致 的 变 形 即 使 加 热 也 消 除 不 了 。热 弹 性 马 氏 体 相 变 发 生 的 不 是 滑 移 ， 而 是 另 一 种 基 本 的 形 变 机 制 — — 孪 生 。从 微 观 上 看 ，晶 体 原 子 排 列 沿 某 一 特 定 面 镜 像 对 称 。那 个 面 叫 孪 晶 面（ 孪 晶 是 指 两 个 晶 体（ 或 一 个 晶 体 的 两 部 分 ）沿 一 个 公 共 晶 面 构 成 镜 面 对 称 的 位 向 关 系 ， 这 两 个 晶 体 就 称 为 " 孪 晶 " ， 此 公 共 晶 面 就 称 孪 晶 面 ）。 即 实 际 上 它 是 由 位 向 互 为 孪 晶 关 系 的 两 种 马 氏 体 区 构 成 ，每 一 个 马 氏 体 和 母 相 点 阵 之 间 具 有 晶 体 学 上 等 价 的 特 定 点 阵 对 应 关 系 。这 种 具 有 点 阵 对 应 关 系 的 每 个 马 氏 体 称 为 对 应变体。
形状记忆合金(SMA)讲解
Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程 依成分和预处 理条件的不同 母相 母相 马氏体 R相 马氏体 加铁、时效
相变过程都 是热弹性马 氏体相变
R相变出现 记忆效应由两个 相变阶段贡献
R相变不出现 记忆效应由单 一相变贡献
（二） 合金元素对Ti-Ni合金相变的影响
加入合金元素调整相变点
例：加Cu置换Ni 形状记忆效应、力学性能， 合金的价格显著降低 , 加入 Cu 对相变温度有显著影响 , 相变 温区 ( M s - M f ) 、 ( A f - A s ) 都变窄 , 窄滞后记忆合金 例：加Nb 可得到很宽滞后的记忆合金
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后 马氏体与母相的平衡温度
∆G（T）PM是母相转变为马氏体的驱动力； ∆Gc PM是母相转变为马氏体的化学驱动力 （∆Gc PM=G M -G P）；∆Gnc PM是非化学 驱动力，主要是相变时新旧相体积变化而 产生的应变能；∆Gs是指弹性应变能以外的 相变阻力，近似看作定值。
马氏体相变的临界温度
Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始
点
Af :逆马氏体相变结束 点
应力诱发马氏体相变
Stress Induced Martensitic Transformation
3.1形状记忆机理
3.1.1热弹性马氏体相变
f.c.c. b.c.t
马氏体相变 (Martensitic Transformation)
• 马氏体相变概述
– – – – 命名，德国人 Adolph Martens 最初的认识：相变产物的特征 深入研究：形核和生长的过程 生长速度
铁基形状记忆合金
铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金（SMA）是一种高度可复合的合金材料，具有独特的热可塑性。
铁基形状记忆合金具有众多优点，包括它可在复合状态下保持原本形状，具有可重复塑形能力，可以很容易地改变其形状以及具备可控的热力学参数等特点。
SMA最初被发现于1900年，发现者是英国物理学家贝克斯特。
随后，该技术最终被称为铁基形状记忆合金（SMA）。
第一，原理及特点。
铁基形状记忆合金通过一种反应来达到形状变化的效果，即热可塑性反应，可以由弹性状态变为复合状态。
其中，温度是最重要的参数，弹簧剪切变形或热可塑性反应也是重要参数之一。
除此之外，还可以使用机械剪切变形或其他外力作用的变形来改变应变能量的分布。
第二，应用领域。
铁基形状记忆合金在很多领域都得到广泛应用，例如：1、汽车。
SMA用于汽车防撞件的设计，能够以更低的能量消耗就可以抵抗撞击，而不会破坏车辆本身的结构，降低伤害或损害。
2、航空航天。
铁基形状记忆合金用于航空航天制造，如可编程挡泥板护舷，弹性支撑电缆，智能夹紧机构等等。
3、机械设备。
SMA用于智能设备和机械设备，可以让设备在对外界负荷作用时得以调整自身的某个方向，达到良好的机械性能。
4、医疗器械。
铁基形状记忆合金可用于制造人体内的器官的结构，如各种类型的支架，以减轻脊椎压力，缓解背痛等功能。
第三，前景及发展趋势。
随着铁基形状记忆合金相关研究技术的不断深入，对其应用领域和发展趋势也乐观充满期待。
未来，铁基形状记忆合金可应用于量子信息和遥感仪器，以及包括通信、安全性和便携设备在内的更多样化的领域。
这些领域将贡献新的应用，增加铁基形状记忆合金的有效使用。
铁基形状记忆合金的应用研究不断加深，应用领域也会有所扩展，从而促进人类社会的发展。
形状记忆合金
1、形状记忆 2、超弹性 3、高阻尼特性 4、耐磨性 5、逆形状记忆特性
1、形状记忆 形状记忆合金在低于M。点的温度下进行热弹性马 2、超弹性 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 3、高阻尼特性 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 4 、耐磨性 消声材料． 5、逆形状记忆特性
高温用形状记忆合金
Cu—Al—Ni合金通过降Al提高相变点的方法可以提 高使用温度，其典型成分为Cu一12AI一5Ni一2Mn—Ti， 可用做100～200℃下动作的热敏元件．Cu—11．9AI一 2．5Mn合金M。在150℃附近，有较高的抗马氏体稳定 化、抗分解能力，有望得到广泛应用¨7I．在Ti—Ni合金 中以Hf、Pd、Pt、Au、Zr等贵金属取代部分Ti(Ni)，可以 显著提高相变温度．高温用形状记忆合金在热驱动器、 继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景
1、形状记忆 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)状态下同时具有极好的 2 、超弹性 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 3、高阻尼特性 密封材料，原子能反应堆中用做冷却水泵机械 4 、耐磨性 密封件，冷却水净化系统可以长期不检修． 5、逆形状记忆特性
1、形状记忆 2、超弹性 3、高阻尼特性 4、耐磨性 5、逆形状记忆特性
3、1963年，美国海军武 器实验室布勒(Buehler) 等
合金在某一温度下受外力而变形， 1、形状记忆 当外力去除后，仍保持其变形后 2、超弹性 的形状，但当温度上升到某一温 3、高阻尼特性 度，材料会自动回复到变形前原 4 、耐磨性 有的形状，似乎对以前的形状保 5、逆形状记忆特性 持记忆
智能材料形状记忆合金 -
用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾 端自动分开卷曲，形成单面装配件。
形状记忆合金的应用
（2）自控和仪表工业 用于温度自动调节器和报警器的控制元件、记录笔的 驱动装置、电路连接器、各种热敏元件和接线柱等。 （3）汽车工业 用于发动机防热风扇离合器、排气自动调节喷管、柴 油机散热器孔自动开关和喷气发动机油过滤器的形状记忆 弹簧等。
形状记忆合金的应用
（8）
形状记忆合金作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新 用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心 被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。
记忆合金材料镜架
形状记忆合金的应用
（6）医疗器械
用于矫正牙齿拱形金属丝、血凝块过滤器、脊椎 矫正棒、人工股关节、接骨板、人工肾微型泵、人工 心脏收缩活门，手术固定器等。
记忆合金肋骨骨折接骨板
形状记忆合金的应用
（7）智能材料 形状记忆合金兼有感知和驱动双重功能，在智能材料 中应用最有前景。利用它可感知材料中的内应力分布、 裂纹的产生和扩展，并自动改变结构外形，主动控制结 构振动，抑制裂纹扩展，降低噪音，吸收能量等。
（一）形状记忆合金的基本原理
1、马氏体相变 马氏体相变是一种无扩散相变或称位移型相变。 位移型相变中只有在原子位移以切变方式进行，两相间 以宏观弹性形变维持界面的连续和共格，其畸变能足以改 变相变动力学和相变产物形貌的才是马氏体相变。
形状记忆合金
（一）形状记忆合金的基本原理 1、马氏体相变 马氏体相变首先在钢中发现，以后在钛、锂、钠等金 属，多元合金、氧化物和铬酸盐的晶体中也发现了。 马氏体相变分为 非热弹性马氏体相变和 热弹性马氏 体相变两类。 非热弹性马氏体相变的增长是靠新马氏体的生成，生 长速度很快。 热弹性马氏体相变的增长是靠旧马氏体的长大，温度 下降，马氏体增大，反之，马氏体缩小，长大速度较慢。