形状记忆合金ppt
合集下载
第三章形状记忆合金ppt课件
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。
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。
-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
功能材料课件-形状记忆合金
合金产生宏观变形 变形随之消失
变形在Ms以上进行 无双程记忆效应
形状记忆
形状记忆合金的应用
阿波罗11号——天线
机械应用
自控元件
形状记忆合金制成的水龙头上的温度调节装置
制作发动机 利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，
产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能、 热能之间的相互转换。
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其特点。
形状记忆合金可以分为三种： 镍钛系 铜系 铁系
其性能见P51 表5-2
镍钛系
基本特点：记忆效应优良、性能稳定、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。
（一）Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变
母相是CsCl结构的体心立方晶体(B2)
铜系
基本特点：形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造， 但强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容 性。 主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来
Cu-Zn合金的热弹性马氏体相变温度极低，通过加入Al, Ge, Si, Sn, Be可以有效的提高相变温度，由此发展了的Cu-ZnX(X= Al, Ge, Si, Sn, Be )三元合金。加入其它组元进一 步提高性能（多元合金）
基于高分子材料中分子链的 取向与分布的变化过程
分子链的取向与分布可 受光、电、热、或化学 物质等作用的控制
SMP 可 以 是 光 敏 、 热 敏 、 电敏等不同的类型。
形状记忆高分子（shape memory polymer, 简称SMP） 热敏型SMP的工作机制
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其基本特点
基于非热弹性可 逆马氏体相变
Fe-Mn-Si Fe-Ni-Si Fe-Cr-Si-Mn-Co
第4章形状记忆合金精品PPT课件
其中，应力－应变关系表现出明显的非线性，这种非线性 弹性和相变密切相关，叫相变伪弹性(Transformation Pseudoelasticity)，也叫超弹性。
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
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
6形状记忆合金PPT课件
——这称为热弹性平衡状态。
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和 以前完全相同的母相
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆 功能，并在工业中得到应用
❖ 1975年至1980年左右，双程形状记忆效应、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有 马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变
❖ 1951年，美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中 首次发现该合金具有形状记忆效应
❖ 随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应 变场，随变体的长大，应变能不断增加
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和 以前完全相同的母相
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆 功能，并在工业中得到应用
❖ 1975年至1980年左右，双程形状记忆效应、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有 马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变
❖ 1951年，美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中 首次发现该合金具有形状记忆效应
❖ 随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应 变场，随变体的长大，应变能不断增加
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。
2021
31
➢ 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
32
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
15
2021
16
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。
形状记忆合金原理PPT课件
2021
14
• 马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称 为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在 奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7）。马氏体形成时和母相
• 的界面上存在大的应变。
• 马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度 开始转变为马氏体，把这温度 标作Ms,加热时马氏体逆 变为母相，开始逆变的温度标为As。它们所包围的面积 称为热滞面积, 相变时的协作形变为范性形变时，一般 热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合 金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚
马氏体
2021
11
变 形 的 三 种 形 式
图3-3 形状记忆效20应21的三种形式
12
Question：
F
上述弹簧是否属于记忆合金？
2021
13
• 补充知识：
• 马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、 增强的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织 命名为马氏体。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20 世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和 合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和 Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前 广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。
•
马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或
顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
7
1.形状记忆合金的发展
8
• 形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。
• 德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温区 淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无 扩散形状转变为体心立方结构，得到的组织以他 的名字被命名为马氏体。
钢的淬火
板条马氏体
9
• 1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金 中发现了马氏体的热弹性转变；随后，俄罗斯的 库究莫夫对这种行为进行了研究。他们的研究在 当时并没有受到世界的重视。 • 1951年美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次 发现该合金具有形状记忆效应，随后，在InTi合 金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵 ，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状 记忆合金。
29
形状记忆效应
• 形状记忆合金的形状记 忆效应按形状恢复情况 可以分为三类： • 单程形状记忆效应 • 双程形状记忆效应 • 全程记忆效应
形状记忆效应的三种形式 (a)单程(b)双程(c)全程
30
单程记忆效应：将母相 在高温下制成某种形状 ，再将母相冷却或加应 力，使之发生马氏体相 变，然后对马氏体任意 变形，再重新加热至As 点以上，马氏体发生逆 转变。当温度升至Af点 ，马氏体完全消失，材 料恢复母相形状，而重 新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。
31
• 双程记忆效应：若加 热时，恢复高温相形 状，冷却时恢复低温 相形状，即通过温度 升降自发可逆地反复 恢复高低温相形状的 现象称为双程记忆效 应，又称可逆记忆效 应。
32
• 全程形状记忆效应：这 是一种加热时恢复高温 形状，冷却时变为形状 相同而取向相反的高温 相的现象。这种现象只 有在Ni的原子含量不小 于50.5％且又经过时效 的Ti-Ni合金中出现。
33
• 把受过强迫时效的四条薄带在其中心位置上以 45 度的 夹角捆扎在一起。如 a 所示，在约 100℃开水中呈现具 有凸透镜曲率的近圆形。 • 从开水中缓慢提起来时自行变化成b形状。 • 当从热水中完全提上来且于室温下时,变化成近直线形 状 c。
TiNi合金的全程记忆效应 100℃-室温
34
• ac 之间的自发形状变化是由马氏体的相变导致。接 着浸泡在冰水中时，在下部开始呈现凸透镜曲率， 变化成d形状。 • 在干冰-酒精液中冷却到约 -40℃时变化成 e形状，同 a相比完全是其相反的形状， • 然后再次返回到开水中时立刻变化成 f形状，其形状 与a完全相同。
呈现形状记忆效 应过程可逆的形式进行， 需要具备下列条件: (1)马氏体相变是热弹性； (2)母相和马氏体呈现有序的点阵结构； (3)马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构 只能由孪晶和层错组成； (4)马氏体相变在晶体学上是可逆的。
20
• 以上条件根据早期形状记忆材料的特征而提出，
马氏体相和母相化学 自由能差随温度变化 与马氏体相变的关系
16
• 在低于 Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的弹性 变形是随着马氏体片长大而增大的。 • 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等能量消 耗的增加与相变化学自由能的减少相等，马氏体和母 相之间达到一种热弹性平衡状态，马氏体停止长大。 • 热效应和弹性效应之间的平衡态就是热弹性的由来。
伪弹性应力应变示意图
23
• 在D点之前应力被取消，例如在 点 C’ ，对应的应变为εc ，则通 过几步应变可恢复： • 首先发生马氏体的弹性恢复， 如C’F段所表示。 • F点对应的是卸载过程中应力诱 发马氏体能够存在的最大应力 ，在该点开始发生马氏体向奥 氏体的逆相变，随后马氏体量 不断减少直到奥氏体完全恢复 (G点)，即FG段表示马氏体向奥 氏体转换后引起的应变恢复， • GH段表示奥氏体的弹性恢复。
• 具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。
形状记忆合金材料
6
目前，人们对形状记忆效应的物理本质和各种 影响因素已经有了较为清晰的认识，形状记忆 合金已被确认为一种热驱动的功能材料，人们 利用其形状记忆效应，在仪器仪表、电器、自 动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程及 机器人等领域之中实现广泛应用。
采用CuZnAl记忆合金片，以 热水或热风为热源，开放温度 为65℃-85℃，闭合温度为室 温。花蕾直径80mm,展开直径 200mm。
4
形状记忆效应实验
原始形状
拉直
加热后恢复变形 前形状
5
• 形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料 (通常 是具有热弹性马氏体相变的材料 )，在某一低温下 ( 处于马氏体状态 ) 进行一定限度的塑性变形后， 通过加热到某一温度 (通常是该材料马氏体消失温 度Mf)时，材料完全恢复到变形前的初始形状。
• 随着形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全 具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。 • 不但温度场、应力场可以诱导形状记忆效应，磁 场也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。
热诱导形状记忆合金 磁诱导形状记忆合金
Magnetic field
21
相变伪弹性和超弹性
• 外加应力也可引起马氏体消长。这样形成的马氏 体叫应力诱发马氏体，随应力增加或减小，马氏 体也相应长大或缩小。 • Af 温度以上的马氏体只在应力作用下稳定，合金 在 Af 以上进行拉伸，应力除去后，应力诱发马氏 体当即逆转变为稳定母相，相变引起的变形即行 消失。这种不通过加热即恢复到原先形状的相变 ，看起来像弹性变形，但其应力应变曲线是非线 性的，因此称为相变伪弹性，当其应变完全恢复 时称为相变超弹性。
• NiTi 合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀好、成本 相对低廉等许多特点而引起极大关注。
11
• 1970年人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也 发现形状记忆现象，并明确这种现象是能够产生 热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。 • 以此为转折点，迄今人们己在许多合金中相继发 现这种现象，如表所示。 • 现在，人们发现有机弹性材料，甚至陶瓷，都可 具有形状记忆的功能。
10
• 低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。
• 1962 年，美国海军军械研究所将 NiTi 合金作为对 温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项 研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成 的细丝一端弯曲，然后在点燃手中雪茄时，忽然 发现靠近火焰部分的细丝伸直了。 • 1963 年，军械研究所宣布在 NiTi 合金丝中发现了 形状记忆效应。
3
前言 金属具有记忆能力，乍听起来令人不可思议。然而 ，人们确已获得了这种具有“记忆能力”的金属 (Shape Memeory Alloy) 。人们把 SMA 合金做成花、 鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入不太热的水中， 一瞬间，花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动，并且 栩栩如生，真如魔术般使人惊叹，这些都是形状记 忆合金特异功能的显示。
22
• 伪弹性仅与应力诱发相变和 热弹性相变有关 • AB 段代表马氏体相的纯粹弹 性变形。 • B 点为应力诱发马氏体的最小 应力，到 C点相变结束。 BC 段 代表奥氏体向马氏体转变后 应变增加；其斜率远小于 AB 段，说明相变容易进行，
• CD 段表示相变结束后在应力 作用下马氏体发生弹性变形 。在 D 点马氏体开始屈服并发 生塑性变形直到E点断裂。
纳米材料与新材料
Nanometer-Materials & New Materials and （5）
材料科学与工程学院
第五讲 形状记忆合金
Shape Memory Alloy
2
主要内容
形状记忆合金的发展
形状记忆合金的原理
形状记忆合金的分类
形状记忆合金的制备 形状记忆合金的应用
26
• TiNi 合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记 忆性能最好的合金材料。 TiNi 合金由于强度高、 塑性大、耐腐蚀性好、稳定性好，尤其是特殊的 生物相容性，得到广泛应用，特别是在医学上的 应用是其它形状记忆合金所不能替代的。
• 为使形状记忆合金得到应用，其经济性是一个重 要因素。铜基合金价格仅为 TiNi 合金的 l/10 ，人 们希望用它作为 TiNi 合金的替代品，其中研究最 多的是 CuAlNi 合金和 CuZnAl 合金。但是，铜基合 金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等比 TiNi 合 金差。因此，在性能要求不高、反复使用次数少 ，特别是要求降低成本的情况下使用Cu基合全。
28
• 铁基形状记忆合金发展较晚，早期的 FePt 和 FePd 合金由于价格昂贵未能得到应用 • 1982 年有关 Fe-Mn-Si 记忆合金的研究论文的发表 ，引起了材料研究工作者极大兴趣，目前主要有 Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金。 • 与 TiNi 合金和铜基合金相比， Fe 基合金价格低， 加工性能好，力学强度高，在应用方面具有明显 的竞争优势，但其形状记忆效应不是很好。 • Fe-Ni-Co-Ti合金，预变形超过2%后形状记忆效应 下降到40%以下。
钢的马氏体转变
15
• 为使 P( 母相 ) M( 马氏体相 ) 相变产生， M 相的化学自由 能必须低于P相， • 相变需要驱动力，如不过冷到适当低于T0(P相和M相化学 自由能达到平衡的温度)的温度Ms，相变不能进行， • 逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0的温度As。 • To 和 Ms 之差称为过冷废，钢铁马氏体相变的过冷度为 200℃左右，形状记忆合金的过冷度为5-30℃。
CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变 (马氏体长大)
17
• 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大。温度 升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩，故称 为热弹性马氏体，相变为热弹性马氏体相变。
CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变 (马氏体缩小)
18
27
TiNi合金与CuZnAl合金性能对比
合金类型
恢复应变 恢复应力 循环寿命 耐蚀性 加工性 记忆处理