形状记忆合金的动作(相变)温度测量(DTA法).
第5章-形状记忆合金
过程4：
将变形马氏体加热到As点以上，马氏体 发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低， 转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一 个位向—母相原来的位向。尤其当母相为长 程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群 中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位 向的母相倾向更大。逆转变完成后，便完全 回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢 复。
每片马氏体形成时都伴有形状的变化。 这种合金在单向外力作用下，其中马氏体顺 应力方向发生再取向，即造成马氏体的择优 取向。当大部分或全部的马氏体都采取一个 取向时，整个材料在宏观上表现为形变。对 于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方 向择优取向，在相变同时，材料发生明显变 形，上述的24个马氏体变体可以变成同一取 向的单晶马氏体。
表5-2 具有伪弹性的合金及马氏体结构
从逆转变引起形状恢复这个角度来看， 形状记忆合金都会表现出超弹性(在原理上)。 二者本质是相同的，区别只是变形温度与最 初状态(马氏体还是母相)不同。
如果合金塑性变形的临界应 力较低[如图中(B)线]，在应 力较小时，就出现滑移，发 生塑性变形，则合金不会出 现伪弹性。
图5-9 Ti-Ni二元合金状态图
2. 时效处理作用：
时效处理一方面能提高滑移变形的临界 应力，另一方面能引起R相变。R相变是B2 点阵受到沿<111>方向的菱形畸变的结果。 通过时效处理、反复进行相变和逆转变及加 入其它元素，当母相转变为R相时，相变应 变小于1％，逆转变的温度滞后小于1.5K。
NiTi合金从高温母相 冷却到通常的马氏体相变 之前，要发生菱形结构的 R相变，使电阻率陡峭增 高。在马氏体相变发生后， 电阻率又急剧降低，形成 一个独特的电阻峰，在反 复进行马氏体相变的热循 环之后，合金相变温度将 可能发生变化。见图5-10， N为热循环数，箭头所指 图5-10 热循环对NiTi合金电阻-温度曲线的影 为相变点位置。由图可见， 响(1273K／3.6ks固溶处理) 热循环使Ms-Mf相变温度 区增大了。
4形状记忆合金
马氏体相变的G-T转变模型
{111 } //{110 }a ' , 差1 110 // 111 a ' ，差2
平均切变角为10°45’ G-T转变模型解释了表面倾动 效应，也解释了惯习面的位向、 马氏体的位向以及结构改变， 但是，它没有解决愤习面的不 应变和不转动现象
马氏体相变 (Martensitic Transformation)
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
马氏体相变的热力学持征 马氏体相变机制的几个晶体学经典模型
Bain转变模型 K-S转变模型 西山转变模型 G-T转变模型
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
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 惯习面以母相的晶面指数来表示，大多情况 下为无理数指数面
马氏体相变的三种分类方式
1. 按相变驱动力的大小分
大，几百cal/mol， 小，几cal/mol～几十cal/mol
2. 按马氏体的形成方式分
变温马氏体转变 ，马氏体的生成量是温度的函数
I. 马氏体片的数量虽温度而改变 II. 马氏体片的大小随温度而变
等温马氏体转变 ，马氏体的生成量是时间的函数
金属功能材料-3-形状记忆合金
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
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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。
形状记忆合金与分析测试综合实验课程实验教学大纲
《形状记忆合金与分析测试综合实验》课程实验教学大纲课程名称：形状记忆合金与分析测试综合实验英文名称：Compre hensive Experimeut of Shape Memory Alloy and Aualysis课程编号：实验课性质：独立设课课程负责人：耿贵立开放实验项目数：6大纲主撰人：耿贵立大纲审核人：闵光辉一、学时、学分课程总学时：17 实验学时：17课程总学分：实验学分：二、适用专业及年级适用于材料方向二、三年级三、综合实验教学目标与基本要求1．在介绍了形状记忆合金的基本知识之后，让学生观察由形状记忆合金制做的涡轮型热机、偏心曲柄型热机、偏心曲柄型发电热机、划水型热机、双程记忆合金花、全程记忆合金花、双程记忆合金簧、单程记忆合金簧、医疗用于人体的各类记忆合金内支架等教学模型的动作变化。
通过由形状记忆合金制作的模型的动作实验，让学生产生好奇与兴趣。
在有了感性认识的基础上，然后以铜基形状记忆合金作为综合实验各个实验环节的分析测试材料，以热分析仪、能谱仪、扫描电镜、透射电镜、高性能金相显微镜及定量分析系统、显微硬度计、X射线衍射仪为手段，让学生了解形状记忆合金的动作温度，动作所需要的能量，马氏体相与母相的硬度区别，动作（相变）温度及记忆性能与化学成分、马氏体形貌、形态、亚结构、马氏体量及马氏体类型的依赖关系，使彼此孤立的实验联系起来，让学生了解分析测试的全过程，以体现知识的系统性、连贯性和综合性，将所学知识点全部综合起来有所升华，以达到本综合实验教学之目的。
2．通过综合实验，让学生了解和掌握综合实验所使用的差热分析仪、差示扫描量热分析仪、能谱仪、扫描电镜、透射电镜、高性能金相显微镜及定量分析系统、显微硬度计、X射线衍射仪等现代分析测试仪器设备的主要功能，以及测量方法和测量原理。
3．通过综合实验，让学生了解综合实验中每个环节的样品的制备方法和检测过程，以及操作方法。
4．通过综合实验，让学生了解综合实验中每个实验环节的必然联系。
形状记忆合金
医学上的应用
形状记忆合金作为驱动元件，具有可动的肩"肘"腕及手指的微型机械手!手指和手腕靠 6F’F合金螺旋弹 簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩靠直线状的 6F’F 合金丝的伸缩做弯曲动作各个形状记忆合金驱 动元件都由直接接通的脉宽可调电流加以控制。
生活中的应用
形状记忆合金可用于自动干燥库门开闭器，卫生间洗涤器水管转换开关，空调进出口风向调节器，浴 池保温器，玩具，路标方向指示转换器。家庭换气门开闭器，防火挡板，净水器热水防止阀，恒温箱 混合水栓温度调节阀，眼镜固定件眼镜框架，钓鱼线，便携电话天线以及装饰品等。
热处理原理与工艺课程报告
——形状记忆合金的介绍
11.17
前言
形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的, 但一直没有引起足够的重视.直到1963年,美国海军武器实验室布勒 (Buehler)等,奉命研制新式装备,需要Ti-Ni合金丝,因为领回来的Ti-Ni合金 丝是弯曲的,使用不方便,于是他们就将细丝拉直.试验中,当温度升到一 定值的时候,已经被拉直的Ti-Ni合金丝,突然又全部恢复到原来弯曲的 形状,而且和原来一模一样,反复作了多次试验,结果证实这些细丝确实 有“形状记忆力”.他们研制出具有实用价值的Ti-Ni形状记忆合金.形 状记忆合金所具有的“形状记忆”和“超弹性”两大特殊功能,引起国 际材料科学界的极大兴趣.从此,世界各国对这种新材料的研发方兴未 艾.
一些基本概念
马氏体转变的可逆性 热弹性马氏体相变：马氏体相变所产生的形状变化靠新相与母相界面弹性变形 来协调，温度下降，马氏体长大，界面弹性能升高；温度上升，界面弹性能释 放，马氏体收缩，界面始终保持共格。 伪弹性：具有热弹性马氏体相变的合金，在Ms-Md温度施加应力，诱发马氏体 相变，产生宏观应变；当应力减小时，发生逆转变合金，在马 氏体转变终了温度以上诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在，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。其中应力与应变的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，叫做相变伪弹性，即超弹性）。
形状记忆合金简介1
形状记忆合⾦简介1形状记忆合⾦简介20世纪80年代中期，⼈们提出了智能材料（smart material ）的概念。
这种材料的基本特点是具有感知与驱动双重功能，即材料⾃⾝能感知环境的变化，并做出相应的响应。
它的研究呈开放和辐射性，涉及的学科包括化学、物理学、材料学、计算机、海洋⼯程、航空和医学等领域学科[1-2]。
迄今为⽌，已研究的智能材料主要有压电/电致伸缩陶瓷；形状记忆材料；磁致伸缩材料（Terfenol-D ）；电、磁流变体等[3-7]。
作为智能材料之⼀的形状记忆合⾦材料（shape memory alloys ，SMA ），由于具有独特的形状恢复，⾃我驱动及机械功输出的特性，应⽤范围已经涉及机械、电⼦、化⼯、航空、航天、能源、交通和医疗等许多领域。
SMA 材料的形状记忆效应，是通过合⾦⾼温奥⽒体（母相）到低温马⽒体的马⽒体相变及逆相变过程来实现的。
因此，下⾯分别介绍⼀下马⽒体相变和形状记忆效应。
1 马⽒体相变与形状记忆效应1.1 马⽒体相变马⽒体相变的发现可追溯到100多年前。
1895年Osmond [8]将⾼碳钢经淬⽕后的显微组织命名为马⽒体，以后⼈们就以这类组织的形态（针叶状）及其性质（硬度⾼，具有铁磁性）来描述马⽒体，把形成这类组织的过程以及其晶体结构改变（⾯⼼⽴⽅→四⾓（正⽅））过程称为马⽒体相变。
随后在其他合⾦中也发现了马⽒体，其形成和钢中马⽒体近似，但马⽒体的形态和性质各异，如Fe-Ni 合⾦中的马⽒体硬度不⾼，低碳钢中马⽒体呈条状状态，有⾊合⾦马⽒体的硬度甚⾄低于母相，且不具有磁性。
1948年Cohen [9]认为，应摒弃以往以组织形态和性质来定义马⽒体，宜着重研究其形成过程。
以后，⼀些学者根据马⽒体形成的特征，提出马⽒体相变的各种定义。
如Barrett 在1948年的相变讨论会上称马⽒体相变为⽆扩散相变。
Hull [10]在1954年定义马⽒体相变为“点阵变化时原⼦做规则运动，使发⽣相变的区域形成形状改变、原⼦不需要扩散的⼀种相变。
第六章 形状记忆合金
SMA微型手臂
记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合 金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即 伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。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。下图是日本 TOTO公 司生产的智能水温调节器。
四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多 有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察 到冷却过程中发生的马氏体转变；同时也观察到了 在加热过程中所发生的马氏体转变。由于这一新的 发现，人们不得不把马氏体的定义修定为：“在冷 却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏 体 ”。 马氏体相变-以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏 体相变。
热弹性马氏体相变
降温过程中，奥氏体将转变成马氏体。马氏体转变开 始和终了温度分别以Ms、Mf表示；加热过程中，马氏体逆 相变开始和终了温度分别以As、Af表示。对于不同材料， 这些特征温度不同。马氏体逆相变中存在热滞后现象，使 得As大于Ms。按As-Ms的大小和马氏体的生长特征将马氏 体相变分成非热弹性马氏体相变和热弹性马氏体相变两类。
马氏体的形变与加热后的形状记忆
(a) 原始形状
(b) 拉 直
(c) 加热后恢复
形状记忆效应简易演示实验
形状记忆合金可以分为三种： （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复 变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现 象称为单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复 低温相形状，称为双程记忆效应。 （3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取 向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
合金恒温转变类型
合金恒温转变类型
合金恒温转变（Alloy Phase Transitions）是指合金在一定温度范围内的相变现象，其中合金的结构和性质会发生显著的改变。
合金恒温转变通常分为以下几种主要类型：
1.铁素体相变（Ferritic Transformations）：铁素体相变是指钢铁中铁原子的晶体结构发生变化的过程。
常见的铁素体相变包括铁的α（alpha）相变和γ（gamma）相变，这些相变在钢铁的淬火和回火等热处理过程中发挥重要作用。
2.马氏体相变（Martensitic Transformations）：马氏体相变是一种快速相变，通常涉及到高温晶相到低温马氏体的转变。
这种相变在合金的淬火过程中非常重要，它可以使材料变得坚硬而脆弱。
3.顺磁/铁磁相变（Paramagnetic/Ferromagnetic Transitions）：这种相变涉及到磁性材料，如铁和钴，随温度的变化而发生磁性状态的改变。
铁磁材料在低温下是铁磁的，而在高温下则是顺磁的。
4.形状记忆合金相变（Shape Memory Alloy Transitions）：形状记忆合金是一种特殊的合金，具有记忆性质，可以在温度变化时保持特定形状。
相变通常涉及由高温相到低温相的转变，导致合金的形状变化。
5.超导相变（Superconducting Transitions）：超导材料在低温下表现出完全无电阻和磁场排斥的性质。
超导相变是指从常规导体状态到超导状态的温度或磁场的转变。
这些是合金恒温转变的一些常见类型，每种类型都在材料科学和工程领域中具有重要意义。
不同类型的合金相变对于材料性质和应用都有不同的影响，因此在合金设计和材料工程中必须考虑这些相变。
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〈四〉操作步骤
• （9）接通b通道，设定加热速率、保持温度、保温时间、放大量 程和温度量程等参数。 • （10）接通记录仪，装上DTA曲线记录笔(绿色)和温度记录笔(红 色)；并调整记录零点和走纸速度。 • （11）接通数据处理机(处理机与记录仪可同时记录)，输入原始 数据，如：样品名称、样品质量、实验编号和采样时间等。 • （12）在DT-40主机上按下“Start”、“b”和“Enter”键，加热开 始。 • （13）将记录仪驱动开关打倒驱动位置，记录仪开始记录。 • （14）在数据处理机上按下“OK”、“Enter”键，处理机亦开始记 录。 • （15）到温后，仪器自动停止工作。
〈二〉实验仪器
•（1）DTA （见图1） •（2）R-123TP型记录仪 •（3）DT-40主机 •（4）C—R6A数据处理机 •（5）SSC-30封口机 •（6）BP211D型电子天平 •（7）样品池 •（8）试样 •（9）参比物(α-Al2O3) •（10）镊子 •（11）稳压电源 •（12）110V变压器 1台； 1台； 1台； 1台； 1台； 1台； 2个； 1个； 10～40mg ； 2把； 图1 差热分析仪（DTA） 1台； 1台。
〈三〉实验原理
差热分析是一种简单而又重要的检测方法，已广泛应用于工厂的质量管理 、工程管理和材料验收等方面。其使用范围主要涉及金属、高分子、玻璃、陶瓷 、火药、半导体、医药、食品、矿物、木材、土壤和生物等领域。 差热分析(DTA)是在程序控温下测量物质和参比物之间的温差与温度的关系 的一种技术。所谓程序控温，是指在温度控制程序下，温度随时间呈线性增加， 或保持恒温；所谓“差”是指在研究过程中引入了参比物，将试样和参比物进行 比较而呈现出来的差异。参比物的引入，仅仅是为了便于揭示试样的特性。因此 ，要求参比物在整个加热或冷却过程中不发生任何相态变化，即是“热稳定”的 。DTA仪器的原理如图2所示，其DTA曲线如图3所示。往炉内放样品时，将盛有试 样和参比物的样品池分别放在检测器的两个平台上，参比物在左，试样在右，如 图2所示。当电炉按照设定程序改变温度时，试样的温度Ts将由测温热电偶测得 ，并输入记录仪或计算机，作为时间的一个函数被记录下来。与此同时，试样和 参比物之间的温差由检测器(差值热电偶)检测后输入DTA线路单元，经放大后， 再送到记录仪或计算机，由记录仪或计算机绘出DTA曲线，如图3所示。 试样在加热时，若发生相变、熔化、脱水等转变，一般为吸热，这时试样的 温度上升将滞后于参比物；若过程可逆，在冷却时，将放出热量，这时试样的温 度高于参比物，在DTA曲线上便出现明显的峰，如图3所示。
〈五〉数据测量
• （1）用数据处理机测量形状记忆合金的相变开始 温度、外推始点温度、峰值温度、相变终了温度 和相变时间。 （2）用记录仪记录的DTA曲线测量上述数据。
•
〈六〉思考题
• （1）简述形状记忆合金动作(相变)温度的测量过程。 • （2）温度量程不同，记录仪记录图上的每小格所代表 的温度是否相同。 • （3）放大量程对图形大小有何影响。 • （4）图形的大小与那些因素有关。 • （5）在实验过程中，相变温度受那些因素的影响。 • （6）在计算机上打印出的图中，纵坐标和横坐标的物 理量和单位各是什么。 • （7）基线受那些因素的影响。 • （8）为使基线尽可能平直，在不知被测样品的比热时， 按照经验应如何确定样品和参比物的比例。
形状记忆合金的动作（相变） 温度测量（DTA法）
〈一〉实验目的
〈二〉实验仪器
〈三〉实验原理
〈四〉操作步骤
〈五〉数据测量
〈六〉思考题
〈一〉实验目的
• • • （1）掌握差热分析(Differential Thermal Analysis,DTA) （2）了解差热分析仪的测量原理； （3）根据DTA曲线测定形状记忆合金的动作(相变)温度。
〈三〉实验原理
图2 DTA原理
(a)-加热过程 (b)-冷却过程 图3 DTA曲线
〈四〉操作步骤
• （1）试样制备。将试样的两个端面磨平，以保证试样与样品池充 分接触。 • （2）接通电源，启动DT-40主机。 • （3）用电子天平按一定比例称取试样和参比物。 • （4）用SSC-30封口机，将样品池分别封口。 • （5）取下DTA炉罩，轻轻放在实验台上。再将石英玻璃罩取下， 轻轻放入炉罩孔内，以免滚落地下摔碎。 • （6）用镊子夹着装有试样的样品池，将其轻轻放入炉内右侧样品 台正中，再将装有参比物的样品池放入炉内左侧的样品台正中。 • （7）将石英玻璃罩和炉罩分别重新罩上，并检查是否复位。 • （8）接通冷却水。
〈六〉思考题
• • • • • • • （9）一般情况下，样品量应取多少毫克。 （10）一般情况下，加热速率应设定为多少。 （11）一般情况下，放大量程应设定为多少。 （12）如图形超出了记录范围，采取那些措施。 （13）如图形太小，应采取那些措施。 （14）在DTA曲线上，可以获取那些热分析数据。 （15）测量所得的形状记忆合金的动作(相变)温度具 有那些用途。 • （16）测量所得的形状记忆合金的动作(相变)温度与 成分含量有无依赖关系。