形状记忆合金SMA讲解
新型材料―形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用
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（SMA）是一种在结构振动控制领域具有广阔应用前景的智能材料。
本文介绍了形状记忆合金最显著的两个特性：形状记忆效应和超弹性，并详细总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。
关键词：形状记忆合金；减振；应用abstract形状记忆合金是一种智能材料，在结构振动控制领域有着广阔的应用前景。
本文介绍了形状记忆合金的两个重要特性：形状记忆效应和超弹性，总结了其最新的应用说明。
关键词：形状记忆合金；阻尼；应用1前言形状记忆合金是一种新型功能材料，具有许多特殊的力学性能。
与其他金属耗能器相比，采用形状记忆合金超弹性效应（SE）设计的被动耗能器具有耐久性好、耐腐蚀性好、使用寿命长、变形量大、变形恢复快等一系列优点，因此在结构振动控制领域具有良好的应用前景[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史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。
形状记忆合金是一种新型功能材料，1963年成为一个独立的学科分支。
当时，美国海军武器实验室W.J.Buehler博士领导的研究团队发现，由于温度不同，镍钛合金的工作性能有显著差异，这表明合金的声学阻尼性能与温度有关，通过进一步研究，研究发现，原子比接近等的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应，并报道了X射线衍射的研究结果。
后来，镍钛合金作为商品进入市场，原子比几乎相等的镍钛合金商品被命名为镍钛诺。
磁形状记忆合金在电磁器件中的应用
磁形状记忆合金在电磁器件中的应用磁形状记忆合金（magnetostrictive shape memory alloy, MSSMA）是一种具有特殊形状记忆特性的材料，它在电磁器件中具有广泛的应用前景。
本文将从原理、性能及其应用等方面进行分析和阐述。
一、磁形状记忆合金的原理磁形状记忆合金是一种能够通过磁场作用实现形状记忆的材料，它能够在外界磁场的作用下发生形状变化。
磁形状记忆合金的主要原理是磁场诱导产生应力，从而引发形状变化。
通过控制外加磁场的大小和方向，可以实现对磁形状记忆合金的形状、尺寸和位置的精确控制。
二、磁形状记忆合金的性能1. 磁致伸缩效应：磁形状记忆合金在外加磁场的作用下会发生尺寸的快速变化，即磁致伸缩效应。
这种效应使得磁形状记忆合金在电磁器件中能够实现精确的位置调节和控制。
2. 形状记忆特性：磁形状记忆合金在经历塑性变形后，通过对其加热或应用磁场的方式，可以恢复到最初的形状。
这种形状记忆特性使得磁形状记忆合金在电磁器件中具有很大的应用潜力。
3. 磁性特性：磁形状记忆合金不仅具有形状记忆特性，还具有磁性特性。
它可以用于制造磁传感器、电磁阀门和电磁悬浮装置等电磁器件。
三、磁形状记忆合金的应用1. 磁传感器：利用磁形状记忆合金的形状变化特性，可以制造高灵敏度的磁传感器。
这种磁传感器可以广泛应用于磁场测量、位移检测和应力监测等领域。
2. 电磁阀门：磁形状记忆合金的形状记忆特性使得它可以被应用于制造电磁阀门。
这种电磁阀门可以实现精确的开关控制，具有较高的响应速度和可靠性。
3. 电磁悬浮装置：磁形状记忆合金的磁致伸缩效应可以被用于制造电磁悬浮装置，用于实现物体的悬浮和移动。
这种装置在高速列车、风力发电机和精密仪器等领域具有广泛的应用前景。
结语：磁形状记忆合金作为一种具有特殊形状记忆特性的材料，在电磁器件中具有广泛的应用前景。
通过对磁形状记忆合金的原理和性能进行深入研究，可以更好地发挥其在电磁器件中的优势，并探索更多的应用领域。
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。
未来潜力材料之形状记忆合金
形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是一种由两种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性，广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。
形状记忆合金按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金（Ni-Ti SMA）、铜基形状记忆合金（Cu SMA）、铁基形状记忆合金（Fe SMA）3类。
其中，镍钛基形状记忆合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金；铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等种类；铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。
1/形状记忆合金的研究现状形状记忆合金因其独特的形状记忆效应一直是各主要国家的研究热点。
近年来，美国、欧洲、日本等国家和地区针对形状记忆合金制备工艺、成分配比、与先进制造技术结合的研究已取得显著的进展，尤其以4D打印技术为代表的先进制造技术使用形状记忆合金作为原材料，扩展了其在软体机器人、医疗器械、航空航天等领域的应用范围。
（一）中美欧等国开发出多种形状记忆合金制备新工艺，扩大了材料应用范围形状记忆合金/聚合物的制备方法主要有熔炼法、粉末冶金法、喷射沉积工艺、4D打印技术等，再根据应用需求配置后续的锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加工等成型工艺。
其中，熔炼法是传统金属冶金工艺，在真空下将金属原材料通过电子束、电弧、等离子体、高频感应等方式加热后进行熔炼，易产生杂质污染、成分不均匀、能耗高等问题，且需要经过切割加工形成合金产品。
而粉末冶金法则是利用金属或合金粉末进行热等静压和烧结，制备出最终形状的合金产品。
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在直线DCE段（马氏体状态）
在直线BC段（奥氏体状态向 马氏体转变状态）
在直线EA段（马氏体向奥氏 体转变状态）
1
Ms
t L
uf
t AL
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6. 两种新型SMA被动耗能器
在目前国内生产的NiTi产品中,丝材是最常见的 产品形式,而且丝材的性能比较稳定。针对这种情况, 本文利用形状记忆合金丝的超弹性特性,研制了两种新 型被动耗能器,分别称为拉伸型SMA耗能器和剪刀型 SMA耗能器,安装在结构层间使NiTi丝随结构振动产 生拉伸弹塑性变形,消耗结构在地震作用下的振动能量, 从而减小结构的振动。
第33页/共38页
8. 形状记忆合金的发展趋势
1）铁基形状记忆合金； 2）高温形状记忆合金； 3）磁性形状记忆合金； 除以上所述外，正在研究的还有宽滞后形状记忆合 金、窄滞后形状记忆合金、形状记忆合金薄膜、高 屈服限形状记忆合金、低应力滞后形状记忆合金和 低温拟弹性形状记忆合金等。
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(3)使用一个简单的恒温控制器将奥氏体状态下的形 状记忆合金的温度控制在某一特定的温度上并使其产 生一定的预应变 ； (4)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与结构的 离散点相联接 ； (5)利用形状记忆合金制成被动耗能器； (6)在常温下将形状记忆合金丝预加载至弹性极限附 近，然后随同其他建筑材料一同植入基材内。
eaM As T bA
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5.2 Liang and Rogers模型 (1)本构方程 本构方程同Tanaka模型的本构方程式。
(2)相变方程
Liang 和 Rogers对Tanaka模型进行了改进， 主要体现在马氏体相变动力学方程，提出内变量 （马氏体相变体积分数）和温度、应力之间呈余弦 关系，相变方程采用余弦函数。同时还考虑了内变 量在发生马氏体相变和奥氏体相变时初始条件的影 响：
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
形状记忆合金
形狀記憶合金形狀記憶合金，Shape Memory Alloy(SMA)，是一種加熱後能恢復其原有形狀的特殊合金。
最早是在1951年時，在Au-Cu合金中發現具有形狀記憶的特性，之後又陸續在許多合金中發現有類似的反應，目前較引人注目的有Ti-Ni系合金及Cu系合金。
而形狀記憶合金所表現出來的特性有兩種，一種是形狀記憶效應(Shape Memory Effect，SME)，一種是擬彈性效應(Pseudeoelastic Effect)。
形狀記憶合金的特色一般金屬的塑性變形乃是由於差排的移動，而差排移動之後造成的塑性變形無法用加熱方法使其恢復形狀。
在形狀記憶合金中，當材料溫度降低，一種新的結構，我們稱之為麻田散相，會自原來的結構（我們稱之為奧斯田母相）中長出。
而其過程為可逆的，當溫度升高時，會轉換成奧斯田母相。
形狀記憶效應是利用當溫度低於麻田散相轉換溫度時，若外力超過彈性極限，材料結構會重新排列，使材料產生如塑性變形的情形，當溫度升高時，麻田散相會轉換回原來的奧斯田母相，而記得原來的樣子。
當溫度高於麻田散相轉換溫度，外加應力一樣會促使奧斯田母相產生麻田散相而得到如塑?岒雱峈滷“峞A，但是若外力去除，不穩定的麻田散相將轉換回母相，此時其“塑性變形“會隨之消失，故稱此種效應為擬彈性效應。
一班來說，金屬的彈性變形量只有２％，形狀記憶合金能夠承受的彈性變形量是一般金屬的四到五倍。
而形狀記憶效應或擬彈性效應的發生，完全取決於材料的麻田散轉換溫度相對於測試溫度的變化，如（圖一）是發生此兩種效應的應力及溫度範圍相對於滑移臨界應力的關係。
（圖二）形狀記憶效應與擬彈性效應的示意圖。
如何製作形狀記憶合金使用形狀記憶合金最重要的就是它的麻田散相轉換溫度，此一轉換溫度會因經歷此寸、外加應力、熱循環次數....等因素而改變，其中以合金成份的改變對麻田散相轉換溫度的影響最劇烈，以Cu-Zn-Al記憶合金來說，增加一個重量百分比的鋅會使麻田散相轉換溫度下降51℃；增加一個重量百分比的鋁會使麻田散相轉換溫度下降134.5℃之多，因此成份的控制包括正確的百分比及均勻的品質將非常重要。
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形状记忆合金发展历史
? 30年代，美国哈佛大学A. B. Greninger等发现CuZn合金在加热与冷却的 过程中，马氏体会随之收缩与长大
? 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，张禄经、Read发现Au-47.5í 具有形状记忆效应 ? 1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）的
9Crnsformation)
? 马氏体相变的一般特征
– 无扩散性 ：马氏体相变最本质的特征 – 切变性相变 – 共格性相变 – 惯习面 – 晶体缺陷 – 相变可逆性
马氏体相变是无扩散性相变
? LiMg合金在-200℃下发生了马氏体相变。在-200℃这样的 低温下，原子的扩散是不可能的。
第3章 形状记忆合金（SMA)
形状记忆效应简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
形状记忆效应
?形状记忆效应 :固体材料在发生了塑性变形后， 经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的 形状，这种现象就叫做 形状记忆效应 Shape Memory Effect （SME） 。
普通金属材料
形状记忆合金
航天飞机释放的膨胀月面天线
– 除钢外，纯金属Li、Ti、Hg、Tl、Pu、Co，合金AuCd、 CZruOA2l，、非Ag金Zn属、材C料uZVn3、SiT，iN也i，存化在合马物氏半体导相体变BaTiO3、
马氏体与母相的平衡温度
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
? 共格性相变：相界面上的原子既属于母相， 也属于马氏体相
马氏体相变的惯习面 (Habit Plane)
? 在马氏体相变中，马氏体总是沿着母相的某 一晶面开始产生，这个晶面在马氏体相变的 全过程中，既不发生畸变，也不发生转动。 这样的晶面就称为惯习面，惯习面也是两相 的交界面
? 一般来说，每一种金属或合金在形成马氏体 时都有自己确定的惯习面
? FeC合金中，C原子和Fe原子的间隙位置，在奥氏体和马 氏体中都保持不变，并导致马氏体的四方性。
? 马氏体相变前后没有任何化学成分的改变，马氏体相成分 和原母相成分完全一致
马氏体相变是切变性相变
? 切变性相变：从母相到马氏体相的转变过程是以切 变方式进行的，是靠母相和新相界面上的原子以协 同的、集体的、定向的和有次序的方式移动，实现 从母相到马氏体相的转变
? 实验证明
– 浮凸：预先磨制抛光好的试样，当激冷发生马氏体相变 后，在试样表面能观察到宏观的倾斜的隆起
– 折线：在发生马氏体相变前，在试样上刻上一条直线， 发生马氏体相变后，刻痕直线受折，有的时候会被折成 几段，但直线仍然保持连续
马氏体相变中的浮凸和折线
马氏体相变的切变变形模式
马氏体相变是 共格性相变
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
? 钢：105cm/s ? AuCd合金、CuZn合金：显微镜下肉眼观察
– 马氏体相变转变过程中，没有原子的扩散，也不改变成 分，仅仅是晶格结构发生变化。母相(P)和马氏体相(M)内 的晶格点阵有看一一对应的关系
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
? FeC合金和FeNi合金在-20～-195 ℃之间，马氏体形成的 时间约为0.05～0.5μs，在-200℃以下以同样的速度形成 马氏体。
? CuAl合金中，从母相到马氏体相的转变，有序结构保持不 变，根据有序母相的CuAl的原子位置及其取向关系，可以 计算出形成马氏体超结构X射线图相，结果与实验一致， 说明马氏体型相变过程只有原子位置的移动(小于一个原子 间距)，而没有原子位置的调换。
形状记忆材料种类
形状记忆合金 (Shape Memory Alloys,SMA) 马氏体
形状记忆陶瓷
相变
高分子材料 —— 晶态－玻璃态相变
形状记忆效应与马氏体相变
?形状记亿效应是在马氏体相变中发现的 ?马氏体相变中的的高温相叫做母相 (P)，低温相 叫做马氏体相 (M) ?马氏体正相变、马氏体逆相变。 ?马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶 体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回 复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在 产生热弹性马氏体相变的合金中。 ?马氏体相变的临界温度： Ms、Mf、As、Af
Buehler 博士等发现 Ni-Ti 合金具有形状记忆效应，并开发了 Nitinol （NiTi-Navy-Ordinance-Laboratory）形状记忆合金。 ? 70年代，CuAlNi也被发现具有形状记忆功能 ? 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（ Two Way Shape Memory Effect）、全程形状记忆效应（All Round Shape Memory Effect）、逆向 形状记忆效应（Inverse Shape Memory Effect）相继被发现
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后
?G （T）P? M是母相转变为马氏体的驱动力； ? Gc P? M是母相转变为马氏体的化学驱动力 （? Gc P? M=G M -G P）；? Gnc P? M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。