第三章形状记忆合金ppt课件
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-ppt-形状记忆合金
1、Ni-Ti形状记忆合金
基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳， 耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、生物相容性 好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格
高昂。
用极薄的记忆合金材料
先在正常情况下按预定要求 做好，然后降低温度把它压 成一团，装进登月舱带上天 去。放到舱面上以后，在阳 光照射下温度升高，当达到 转变温度时，天线又“记” 起了自己的本来面貌，变成 一个巨大的半球形。
利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安
装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警 装置，达到报警的目的。
SMA火灾报警器
在航天上，可用形状记忆合金制作航天 用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面 形，在马氏体状态下压成团，送上太空后, 在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超 弹性合金作为机械储能材料也很有前景。
(2) 影响相变温度的因素
1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相变温度降低10℃。
2)第三元素: Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni可减少相变滞后，节约合金成 本；Nb使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。 4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。
二、形状记忆效应的性质
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c.
b.c.c
马氏体相变晶体学模型
马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
临界转变温度
☞马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变
②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移产生； ③母相和马氏体相均属有序结构
精品课程《功能材料》ppt课件第三讲 形状记忆合金与非晶态合金
➢ 4、软磁性： 非晶态合金磁性材料具有高导磁率，高磁感, 低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。
➢ 5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸 氢能力，超导电性，低居里温度等特性，
3.2.2 非晶态合金的制备
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成 非晶体。也就是说，只要冷却速度足够 快．使熔体中原子来不及作规则排列就完成 凝固过程，即可形成非晶态金属。
通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过45个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。
短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。
(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周 围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短 程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元， 除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程 迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在 非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有 序的影响通常只局限于最近邻原子 。
但这类应用记忆衰减快、可靠性 差，不常用。
超弹性的应用。如弹簧、接线柱、 眼镜架等。
2） 医学应用
形状记忆合金在医学上也有应用。以Ni—Ti记忆 合金应用最有成效，由于Ni—Ti记忆合金具有良好 的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中有良 好的抗腐蚀性，我国已将其用于牙齿整畸、脊椎侧 弯哈氏棒、断骨愈合和妇女避孕环等，居世界先进 水平。有关用形状记亿合金制作人工心脏瓣膜、血 管过滤网、防止血栓的静脉过滤器等的研究，美国、 日本等国正在进行。
2）形状记忆效应(Shape Memory Effect)
具有形状记忆效应的材料，一般是两 种以上金属元素组成的合金，称为形状记 忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种：
(1) 单程记忆效应
➢ 5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸 氢能力，超导电性，低居里温度等特性，
3.2.2 非晶态合金的制备
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成 非晶体。也就是说，只要冷却速度足够 快．使熔体中原子来不及作规则排列就完成 凝固过程，即可形成非晶态金属。
通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过45个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。
短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。
(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周 围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短 程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元， 除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程 迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在 非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有 序的影响通常只局限于最近邻原子 。
但这类应用记忆衰减快、可靠性 差，不常用。
超弹性的应用。如弹簧、接线柱、 眼镜架等。
2） 医学应用
形状记忆合金在医学上也有应用。以Ni—Ti记忆 合金应用最有成效，由于Ni—Ti记忆合金具有良好 的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中有良 好的抗腐蚀性，我国已将其用于牙齿整畸、脊椎侧 弯哈氏棒、断骨愈合和妇女避孕环等，居世界先进 水平。有关用形状记亿合金制作人工心脏瓣膜、血 管过滤网、防止血栓的静脉过滤器等的研究，美国、 日本等国正在进行。
2）形状记忆效应(Shape Memory Effect)
具有形状记忆效应的材料，一般是两 种以上金属元素组成的合金，称为形状记 忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种：
(1) 单程记忆效应
形状记忆原理及应用PPT课件(2024版)
形状记忆原理及应用
形状记忆合金（shape memory alloy）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（Naval Ordianace Laboratory）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。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
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-Induced Martensite，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。
形状记忆合金（shape memory alloy）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（Naval Ordianace Laboratory）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。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
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-Induced Martensite，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。
金属功能材料-3-形状记忆合金
此后的40多年的研究过程中，在相变理论应用研究上都取得了很 大的成就。目前已发现具有形状记忆效应的合金涉及7、8个合金 系，达几十种合金。其中Ni-Ti合金和Cu基合金已进入工业应用， 其范围涉及国防、汽车、机械、能源、交通、生物医学及及常生 活等领域。
2
形状记忆合金演示实验
材料在一定的温度下会恢复一定的形状，仿佛记住了 温度所赋予的形状一样。
铜基形状记忆合金则以其加工制造容易、价格低廉、导电导热率 高而在某些动作频次要求不很高的场合获得了广泛的应用，特别适用 于制作各种热保护元件，如淋浴器防烫阀门、消防防火阀门、通信器 材防雷击器材等装置中的热驱动元件。
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五、 形状记忆合金的应用
1. 工程应用
（1）连接紧固件 利用优良的形状记忆效应制成各种连接紧固件，如管接头、紧固
和Cu-Al-Ni系，近年来又发展了Cu-Al-Mn系。
(2) 影响铜基合金形状记忆效应的因素
1) 母相有序
2) 母相晶粒度
母相晶粒度尺寸粗化，将使Ms温度上升。回复量随晶粒增加，
先上升，后下降。
3) 形变度
在马氏体状态形变，存在一个临界应变值εL，当ε＜ εL时，形状
回复率η随ε的增加而增加；当ε＝ εL时，形状回复率η可达100%；当
17
(3) Ni-Ti形状记忆合金薄膜 用溅射法制备Ni-Ti合金薄膜，在衬底温度低于200℃时，所得到
的Ni-Ti薄膜呈非晶态，不显示形状记忆效应。经过400℃上温度晶化 处理后，才能获得形状记忆效应。
在恒应力作用下，Ni-Ti合金薄膜(尤其是近等原子比的Ni-Ti合金 薄膜)的Ms温度和可恢复应变随热循环次数的增加而显著升高，随后 达到某一稳定值。而且，富镍Ni-Ti合金薄膜在经约束时效后可获得良 好的双程形状记忆效应。
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形状记忆合金演示实验
材料在一定的温度下会恢复一定的形状，仿佛记住了 温度所赋予的形状一样。
铜基形状记忆合金则以其加工制造容易、价格低廉、导电导热率 高而在某些动作频次要求不很高的场合获得了广泛的应用，特别适用 于制作各种热保护元件，如淋浴器防烫阀门、消防防火阀门、通信器 材防雷击器材等装置中的热驱动元件。
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五、 形状记忆合金的应用
1. 工程应用
（1）连接紧固件 利用优良的形状记忆效应制成各种连接紧固件，如管接头、紧固
和Cu-Al-Ni系，近年来又发展了Cu-Al-Mn系。
(2) 影响铜基合金形状记忆效应的因素
1) 母相有序
2) 母相晶粒度
母相晶粒度尺寸粗化，将使Ms温度上升。回复量随晶粒增加，
先上升，后下降。
3) 形变度
在马氏体状态形变，存在一个临界应变值εL，当ε＜ εL时，形状
回复率η随ε的增加而增加；当ε＝ εL时，形状回复率η可达100%；当
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(3) Ni-Ti形状记忆合金薄膜 用溅射法制备Ni-Ti合金薄膜，在衬底温度低于200℃时，所得到
的Ni-Ti薄膜呈非晶态，不显示形状记忆效应。经过400℃上温度晶化 处理后，才能获得形状记忆效应。
在恒应力作用下，Ni-Ti合金薄膜(尤其是近等原子比的Ni-Ti合金 薄膜)的Ms温度和可恢复应变随热循环次数的增加而显著升高，随后 达到某一稳定值。而且，富镍Ni-Ti合金薄膜在经约束时效后可获得良 好的双程形状记忆效应。
形状记忆合金最新版本ppt课件
普通金属材料
.
形状记忆合金
马氏体相变而呈现形状记忆效应的。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 。
.
记忆合金应用连接件和紧固件
• 形状记忆合金管接头用相变点
约-150℃的TiNiFe合金制备。
固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。
✓ Af点低于室温的合金用来制造紧固铆钉，尾部形状记忆处 理成开口形状；
✓ 进行紧固操作前，把紧固铆钉浸泡在干冰或液态空气中进 行充分冷却，然后把尾部拉直；
✓ 插入被紧固孔； ✓ 温度回升后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。
(a)开口
(b)拉直
(c)插入
形状记忆紧. 固螺钉
无机非金属材料
.
记忆合金目录
• 一：记忆合金的介绍 • 二：记忆合金的发展 • 三：记忆合金的分类 • 四：记忆合金的原理 • 五：记忆合金的应用
.
形状记忆合金
记忆合金即拥有“记忆”效应的合金，在航 空航天领域内的应用有很多成功的范例。 人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制 作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折 叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫 星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫 星天线因具有“记忆”功能而自然展开， 恢复抛物面形状 。
(d)加热
智能机器人
• 形状记忆合金可制成驱动器、控
制器等应用在智能机器人中。
• 形状记忆驱动器通过适当加热和
控制，可完成往返或旋转运动， 兼之具有感温功能。
• 形状记忆控制机构同传统伺服控
制机构相比，一个形状记忆元件 就可起到传统机构中传感、驱动 和传递三系统功能的作用。
精品PPT课件----形状记忆合金94页PPT
精品PPT课件----形状记忆合金
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
Hale Waihona Puke 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
Hale Waihona Puke 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
《形状记忆合金》课件
2
存在的问题
如材料成本、可靠性和循环寿命等方面的挑战来自需要不断研究和改进。3
发展前景
形状记忆合金将在未来的科技进步中发挥重要作用，为我们的生活带来更多便利 和创新。
结语
形状记忆合金的重要性
它不仅是一种材料，更是未来科 技发展的重要组成部分，将引领 我们走向更智能、高效的未来。
发挥形状记忆合金的作用
《形状记忆合金》PPT课 件
欢迎参加本次《形状记忆合金》PPT课件！在这里，我们将探索这项未来科技 的定义、原理、特点，以及其在医疗器械、航天航空、汽车工业等领域中的 应用。
什么是形状记忆合金
形状记忆合金是一种具有记忆效应的材料，可以在受力变形后回复到其原始 形状。它的原理是基于相变的晶体结构变化，拥有独特的特点。
包括熔融法、固相法和合金化 方法等，每种方法都有其适用 场景和优缺点。
制备工艺流程
从原料的选择和预处理到形状 记忆合金的合成和后处理，需 要严谨的工艺流程和控制。
实验室制备实例
展示了形状记忆合金在实验室 中的成功制备实例，为进一步 研究和应用提供了基础。
形状记忆合金的未来发展
1
发展趋势
形状记忆合金将更加智能化和多功能化，结合其他材料和技术创新，应用领域将 不断扩大。
我们需要不断挖掘和应用形状记 忆合金的潜力，创造更多创新性 和实用性的产品和解决方案。
致谢
感谢您参与本次《形状记忆合金》 PPT课件，希望展示的内容能够 给您带来启发和收获。
形状记忆合金的应用
医疗器械
应用于支架、植入物等医疗设备，可提高患者的 治疗效果和舒适度。
汽车工业
在车身和发动机中应用，具有降噪、减振和节能 的优势。
航天航空
形状记忆合金PPT课件
➢ 合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性的应 力场或晶体缺陷，相变时马氏体容易在这种缺陷处形 核，同时发生择优生长。
➢ 通过记忆训练(强制变形)获得双程记忆能力：
✓ 先获得单程记忆效应，记忆高温相的形状；
✓ 随后在低于Ms温度，根据需要形状进行一定限度的可恢复变 形；
✓ 加热到As以上温度，试样恢复到高温态形状后，又降低到Ms 以下，再变形试件，使之成为低温所需形状；
利用形状记忆元件传感和驱动特 性制造上下自动转换的百叶板。 安装在排气口的形状记忆线圈随 排气温度变化进行收缩或张开， 和另一侧偏动弹簧一起完成双程 动作，自动控制百叶板运动。
经10万次以上的动作后证实，形 状记忆特性没有任何下降。
2021
空调百叶板 35
混水阀
利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室 水管的水温，在热水温度过高时通过“ 记忆”功能，调节或关闭供水管道，避 免烫伤。
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➢ 应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性 ，即使应变增大，矫正力却增加很少，永久应变 远远小于不锈钢丝，在大变形范围内可持续释放 比其他材料更加恒定的矫正力。
NiTi合金牙齿矫形丝
2021
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NiTi矫形丝不仅操作简便，而且疗效也好，可减 轻患者的不适感。
1980年，中国就开始研制NiTi合金矫形丝，北京 有色金属研究总院与北京口腔医院合作，研制出 NiTi合金牙弓丝，称为“中国NiTi牙弓丝”。
2021
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2021
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形状记忆处理
形状记忆合金的制备通常是先制备合金锭，之后 进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。
为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给 定形状。
形状记忆处理(一定的热处理)是实现合金形状记 忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。
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2020/9/23
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。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。
2020/9/23
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的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。
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第一节 形状记忆原理
合金的形状记忆效应与马氏体的可逆相变有 密切关系。在钢铁材料中，马氏体是钢在淬火 过程中产生的高硬度相。它是碳溶于α－Fe而形 成的过饱和固溶体。通常马氏体转变的两个基 本特征是：（1）马氏体转变时，只有点阵的改 变而无成分的变化，是一种非扩散型转变；（2） 马氏体转变是温度的函数，当温度降低至某一 温度Ms时，马氏体迅速产生，然后又会迅速停 止，要使马氏体转变进行，需进一步降低温度， 当温度降低到某一温度以下时，马氏体转变已 不在进行，此温度称为马氏体转变终了温度 （Mf表示）
2020/9/23
2020/9/23
Gγ Δ Gγ－M
GM ΔGM－γ
Ms
Tc
As
热弹性马氏体相变并不是发生在 某一温度点，而是一个温度范围，不 同的合金系具有不同的相变温度范围。 形状记忆合金的本质是合金中热弹性 马氏体相变。所谓热弹性马氏体相变 是指具有马氏体逆转变，且Ms与As相 差很小的合金，将其冷却到Ms点以下， 马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温 度回升时马氏体又反过来同步地随温 度上升而减小。
2020的能量条件是马氏体的化学自由 能必须比母相的低。也就是说，只有当母相过冷 到马氏体相与母相化学自由能平衡温度Ｔc以下适 当温度Ｍｓ时，马氏体将长大,直到热化学自由能 和弹性非化学自由能两者之差最小时，马氏体的 生长过程才告结束。同样,只有当马氏体过热到Ｔc 以上温度Ａｓ时，在相变驱动力作用下，马氏体 缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体的长大 或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制 约的相变称为“热弹性马氏体相变”。
Gγ Δ Gγ－M
GM Δ GM－γ
Ms Tc
As
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所谓热弹性马氏体相变是指具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的 合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温
度回升时马氏体又反过来同步地随温度上升而减小。
Gγ Gγ－M
GM GM－γ
Ms
Tc
As
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2020/9/23
另外，在Ms以上某一温度对合金施加外 力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应 力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属于 弹性马氏体。即随着应力的增加马氏体长大， 反之马氏体减小。应力消除后马氏体消失， 这种称为应力弹性马氏体。应力弹性马氏体 形成时会使合金产生附加应变，当应力消除 后，这种附加应变也随之消失，这种现象称 为超弹性（伪弹性）。
这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect 简称SME）。
具有形状记忆效应的材料，称为形状记忆合金 （Shape memory Alloy 简称SMA）。
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最早关於形状记忆效应的报导是由Chang及 Read等人作出的。他们观察到Au-Cd合金中 相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了 同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。 直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比 的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆 效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。 到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合 金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效 应。
2020/9/23
相变特性及相变循环中的关键点
图1显示了相变特性及相变循环中的关键点。其 中温M度s；、AMsf、为A马f是氏逆体相相变变的的起开始始温温度度和和结结束束温时度的。 在一定的载荷下冷却试样，使试样从马氏体相 变发开生始,试温样度开(始Ｍ伸s点长)向，马当氏达体到转马变氏，体随相着变相完变成的温 度(Ｍf点)的同时，试样也停止伸长，这种因相变 导致试样发生的形变称为相变形变。反之，加 热点试)到样全，部从转马变氏为体母相相向的母终相止转温变度的(Ａ开f点始)温，度伴(随As 这一逆向马氏体相变发生的同时，试样回复到 原状。大多数的合金，相变发生在较窄的温度 范围内，而且伴随着滞后现象，以致加热和冷 却的转变过程并不交迭，相变的滞后程度因合 金系的不同而不同。通常SMA能够完全回复的 形变量可达6～8％（远非一般材料所能比拟 的）。他的形变温度范围一般在－100℃～ 200℃之间，主要受合金成分及热处理工艺的影 响。在形变回复时还会产生很大的回复力（有 的高达200MPa）
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
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一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
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智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。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。
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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的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。
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第一节 形状记忆原理
合金的形状记忆效应与马氏体的可逆相变有 密切关系。在钢铁材料中，马氏体是钢在淬火 过程中产生的高硬度相。它是碳溶于α－Fe而形 成的过饱和固溶体。通常马氏体转变的两个基 本特征是：（1）马氏体转变时，只有点阵的改 变而无成分的变化，是一种非扩散型转变；（2） 马氏体转变是温度的函数，当温度降低至某一 温度Ms时，马氏体迅速产生，然后又会迅速停 止，要使马氏体转变进行，需进一步降低温度， 当温度降低到某一温度以下时，马氏体转变已 不在进行，此温度称为马氏体转变终了温度 （Mf表示）
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Gγ Δ Gγ－M
GM ΔGM－γ
Ms
Tc
As
热弹性马氏体相变并不是发生在 某一温度点，而是一个温度范围，不 同的合金系具有不同的相变温度范围。 形状记忆合金的本质是合金中热弹性 马氏体相变。所谓热弹性马氏体相变 是指具有马氏体逆转变，且Ms与As相 差很小的合金，将其冷却到Ms点以下， 马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温 度回升时马氏体又反过来同步地随温 度上升而减小。
2020的能量条件是马氏体的化学自由 能必须比母相的低。也就是说，只有当母相过冷 到马氏体相与母相化学自由能平衡温度Ｔc以下适 当温度Ｍｓ时，马氏体将长大,直到热化学自由能 和弹性非化学自由能两者之差最小时，马氏体的 生长过程才告结束。同样,只有当马氏体过热到Ｔc 以上温度Ａｓ时，在相变驱动力作用下，马氏体 缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体的长大 或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制 约的相变称为“热弹性马氏体相变”。
Gγ Δ Gγ－M
GM Δ GM－γ
Ms Tc
As
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所谓热弹性马氏体相变是指具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的 合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温
度回升时马氏体又反过来同步地随温度上升而减小。
Gγ Gγ－M
GM GM－γ
Ms
Tc
As
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另外，在Ms以上某一温度对合金施加外 力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应 力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属于 弹性马氏体。即随着应力的增加马氏体长大， 反之马氏体减小。应力消除后马氏体消失， 这种称为应力弹性马氏体。应力弹性马氏体 形成时会使合金产生附加应变，当应力消除 后，这种附加应变也随之消失，这种现象称 为超弹性（伪弹性）。
这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect 简称SME）。
具有形状记忆效应的材料，称为形状记忆合金 （Shape memory Alloy 简称SMA）。
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最早关於形状记忆效应的报导是由Chang及 Read等人作出的。他们观察到Au-Cd合金中 相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了 同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。 直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比 的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆 效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。 到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合 金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效 应。
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相变特性及相变循环中的关键点
图1显示了相变特性及相变循环中的关键点。其 中温M度s；、AMsf、为A马f是氏逆体相相变变的的起开始始温温度度和和结结束束温时度的。 在一定的载荷下冷却试样，使试样从马氏体相 变发开生始,试温样度开(始Ｍ伸s点长)向，马当氏达体到转马变氏，体随相着变相完变成的温 度(Ｍf点)的同时，试样也停止伸长，这种因相变 导致试样发生的形变称为相变形变。反之，加 热点试)到样全，部从转马变氏为体母相相向的母终相止转温变度的(Ａ开f点始)温，度伴(随As 这一逆向马氏体相变发生的同时，试样回复到 原状。大多数的合金，相变发生在较窄的温度 范围内，而且伴随着滞后现象，以致加热和冷 却的转变过程并不交迭，相变的滞后程度因合 金系的不同而不同。通常SMA能够完全回复的 形变量可达6～8％（远非一般材料所能比拟 的）。他的形变温度范围一般在－100℃～ 200℃之间，主要受合金成分及热处理工艺的影 响。在形变回复时还会产生很大的回复力（有 的高达200MPa）