什么是形状记忆效应
形态记忆纺织品2
状 , 且形状固定后的纤维可发生形变 , 并在较低温度下将此形变固
定下来(2 次成型)或者是在外力的强迫下将此变形固定下来 , 当再次
给予变形的纤维加热或热水洗涤等外部刺激时 , 能可逆地恢复到原
始状态 。 也就是说 , 最终的产品具有对纤维最初形状记忆的功能。
形态记忆纤维的概念
• 形态记忆纤维是指具有某一原始形态的纤维，发生形变后，在特定
• 第 3 类是利用接枝 , 包埋等技术 , 把具有形态记忆的高分子材料接
枝到纤维上 , 或者把具有形态记忆效应的材料包埋到纤维中 , 赋予
新纤维形状记忆特征 。 此类纤维属于复合材料 , 主要应用于电子 、
航天工业 。
形状记忆合金纤维
• 已发现的形状记忆合金种类很多，具有使用价值的形状记忆合金大 致可归纳为 3类：镍 -钛形状记忆合金，铜基形状记忆合金和铁基形
之后，形态记忆聚合物受到广泛关注，各种形态记忆聚合物不断问世。形态记 忆聚合物具有质轻价廉、形变量大、成形和赋形容易，以及形状回复温度便于 调整等优点，在纺织业具有巨大的发展潜力，其可以通过纺丝的方式赋予纺织 品形态记忆功能。 具有形状记忆的聚合物除了应满足可纺性要求外 , 最主要
的是纤维必须具有形状记忆特性。
形状记忆合 金首先被加 工成细丝， 然后金属丝 需要在极高 的温度加工 以获得形状 记忆效果。
•
根据原料来源
形状记忆合 金
形状记忆聚 合物
常见的聚合物纤维如聚氨酯形状 记忆纤维，可通过溶液湿法或熔 法纺丝而制备
形态记忆纤维的制作
形状记忆纤维的制作主要分为 3 类：第 1 类是利用 20 世纪 60 年代 新兴的形态记忆合金、聚合物 ,直接制造或合成的形态记忆纤维 。形 状记忆合金通常是两种或两种以上的具有形状记忆效应的金属构成的 合金。而形状记忆聚合物的纺丝工艺主要包括溶液干法、溶液湿法、
第五章 形状记忆合金
transformation front passing through the wire during a load controlled experiment
Martensitic transformation of Iron-based shape Ironmemory alloy observed in the laboratory.
热弹性马氏体相变
Martensitic arrow in austenitic matrix. CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal
CuAl14Ni4.2单晶奥氏体基体中的马氏体箭
(Thermoelastic Martensitic Transformation)
热弹性马氏体相变
形状记忆效应(Shape 一、形状记忆效应(Shape Memory Effect)
某些具有热弹性马氏体相变的合金， 某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态 下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后， 下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后 的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时， 的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料 就能完全恢复变形前 的形状和体积， 的形状和体积，这种 现象称为形状记忆效 现象称为形状记忆效 应(SME)。具有形状 。 记忆效应的合金称形 记忆效应的合金称形 状记忆合金(SMA)。 。 状记忆合金
形状记忆效应
形状记忆效应
形状记忆效应
形状记忆效应示意图
这种只能记忆住高温时形状的现象称为单向 记忆效应（又称单程记忆）。 记忆效应（又称单程记忆）。 某些记忆材料例如TiNi合金及 基记忆合金经 合金及Cu基记忆合金经 某些记忆材料例如 合金及 过一定的特殊处理后，材料可以“记忆” 过一定的特殊处理后，材料可以“记忆”住高 温时的形态，又可“记忆”低温时的形状。 温时的形态，又可“记忆”低温时的形状。当 温度在高温和低温之间往返变化时， 温度在高温和低温之间往返变化时，材料自行 在两种形状之间变换， 在两种形状之间变换，这种现象称为双向记忆 效应（ 效应（Two Way Memory Effect，简写为 ， TWME）。 ）。
记忆合金特点
记忆合金特点
记忆合金特点
记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的材料。
它的特点包括以下几个方面：
一、形状记忆效应
形状记忆效应是指材料在经历过程变形后，可以恢复到原来的形态。
这种效应可以用于制造各种自动控制系统和机械装置，如自动开关、自动调节阀门等。
二、超弹性
超弹性是指材料在受到外力作用后能够产生大量变形，但当外力消失时，材料能够迅速恢复到原来的状态。
这种特性使得记忆合金在医学领域有着广泛的应用，如支架、牙套等。
三、高耐腐蚀性
记忆合金具有高耐腐蚀性，因此可以在恶劣环境中使用。
它们可以抵
抗氧化、酸碱等化学物质的侵蚀，在海水或其他盐溶液中也不易生锈。
四、低温稳定性
记忆合金具有低温稳定性，可以在极低温度下使用。
这使得它们成为
航空航天领域中的重要材料，如用于制造卫星、火箭等。
五、易加工性
记忆合金易于加工，可以通过压力、热处理等方式进行形状调整。
这
种特性使得它们在制造各种复杂形状的零件时具有优势。
六、高强度
记忆合金具有高强度，可以承受较大的载荷。
这种特性使得它们在制
造高强度零件时具有优势。
七、可重复使用
记忆合金可以多次使用，不会因为变形而失去作用。
这使得它们成为
一种环保材料。
总结：
记忆合金具有形状记忆效应、超弹性、高耐腐蚀性、低温稳定性、易加工性、高强度和可重复使用等特点。
这些特点使得它们在医学、航空航天等领域得到广泛应用，并且将来还有更多的应用前景。
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
4.形状记忆合金
单斜晶体 马氏体
一定的热 处理或成 分条件 菱面体点阵 R相
34
2.1 Ti-Ni基形状记忆合金
(2) 合金元素对Ti-Ni合金相变的影响 添加少量的第三元素，会引起合金中马氏体内部的显 微组织发生显著变化，同时可能导致马氏体的晶体结
构发生改变，宏观上表现为相变温度点的升高或降低。
Cu的影响(Ti-Ni-Cu合金)
形状记忆材料
制造科学与工程学院材料成型系
目录 形状记忆相关知识 形状记忆材料种类 形状记忆材料应用 形状记忆材料发展 结束语
2
1 形状记忆相关知识
形状记忆效应（特点及分类） 马氏体相变 形状记忆原理
3
1.1 形状记忆效应
形状记忆效应：
具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某
一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），通过
形状记忆特性比Ti-Ni合金差。
45
2.4 ZrO2形状记忆陶瓷
（1）氧化锆陶瓷的基本结构与相变 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型，按温度由高到 低，其结构分别为 立方晶系、四方晶系(t相)、单斜晶系(m相)
加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料
又恢复到初始形状，这种效应称为形状记忆效应
（SME）。 (Shape Memory Effect)
4
1.1 形状记忆效应
对于普通金属材料，受到外力作用时，当 应力超过屈服强度时，产生塑性变形，应力去
除后，塑性变形永久保留下来，不能恢复原状。
塑性变形——物质在一定的条件下，在外力的作用下产 生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原
23
1.2 马氏体相变
在Ms 温度以上变形，因应力使Ms升高，发生M转 变，应力解除，产生逆相变，回到母相状态，在应
金属形状记忆效应及其应用
２ ０Ｑ 的 电池 两 端 ， 灯 泡 的 实 际功 率 是 多 少？ ． 小
（） 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 ．
电键 、 线若 干 ． 导
动势是 １ ５Ｖ， ． 内阻是 ２ ０ｎ的电池两端 ， ． 求每 只小灯泡的 实
际功 率 是 多 少？ 解 析 设 小 灯 电 流为 Ｊ电 压 为 Ｕ， 有 ２ ＝ Ｅ ，的图 ， 则 Ｕ ｌ 一
象， 它与小灯泡的伏安特性 曲线 的交点坐标 （ ．５ ０ ５ 分别 ０２ ，． ）
量可达 ６ ～ ８ 它 的 形 变 温度 范 围 一 般 在 一１ ０℃ ～ ％ ％， ０
２０℃之间 ， ０ 在形变 回复 时还会产 生很 大 的回复 力 （ 的高 有
达２ ｏＭＰ ） ０ ａ ．
２ ２ 热力学特性 ． 随着相变的进行 ， ＾ 的机 械特性 有较大 的变化 ． ２ ｓ 图
氏体相与母 相 化 学 自由能 平 衡 温 度 Ｔ ０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
大多数情 况下 ，ＭＥ是单 程的 ， Ｓ 也就是说 ， 冷却 过程 中， 虽 然有相变发 生 ， Ｓ 但 ＭＡ不能产生形状变 化． 氏体 因承受 马 应力 而发生 的塑性 变形 ， 只有 当它加热 时才 能消除 ． 再冷却 时， 马氏体并 不 自发地 发生形变 ， 如果 要再得 到形 状 回复 的 效果 ， 必须人 为地使其 发生形变 ， 以实 际应 用 中多用偏置 所
止凝血块流动 ． ３ ２ 强制回复 ．
形状记忆合金
浅谈形状记忆合金传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。
难道合金也会像人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。
形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象，即它能记忆母相的形状。
具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素的合金，这样的合金成为形状记忆合金。
其主要技术指标如下：机械性能：拉伸强度：700－900Mpa（热处理）延伸率：15－30%形状记忆功能：单程（N=1）6－10%，双程（N=10-107）0.5-5%物理性能：密度：约6.5g/cm3.热膨胀系数：10-106/℃.熔点：约1300℃，导弹率：0.209W/cm℃（室温）. 比热：6-8Cal/mol℃电阻率：(50－110) ×10-6chm.cm。
那么形状记忆合金是如何被发现，原理是什么，有哪些具体的应用，又经历了怎样的发展呢？在接下来的文字中你将找到答案。
1963年，美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。
为了使用方便，于是就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。
在后续试验中一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且和原来的形状丝毫不差。
再反复多次试验，每次结果都完全一致，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。
就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。
形状记忆合金可以分为三类：单程记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。
如图1所示，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；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；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。
形状记忆合金
Air conditioner for heating and cooling (空调)
利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装臵及电器 设备的保安装臵。当发生火灾时，记忆合金制成的弹 簧发生形变，启动消防 报警装臵，达到报警的 目的。还可以把用记忆 合金制成的弹簧放在暖 气的阀门内，用以保持 暖房的温度，当温度过
记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中。1969年 7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆。所用 的直径数米大的天线就是用当时刚刚发明不久的记忆 合 制成的。用极薄的记 金 忆合金材料先按预定要 求做好，然后降低温度
Apollo 11号登月舱
把它压成一团，装进登
月舱。放到月面上后，
在阳光照射下温度升高，
形状记忆效应
形状记忆效应
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。
某些记忆材料例如TiNi合金及Cu基记忆合金经 过一定的特殊处理后，材料可以“记忆”住高 温时的形态，又可“记忆”低温时的形状。当 温度在高温和低温之间往返变化时，材料自行 在两种形状之间变换，这种现象称为双向记忆 效应（Two Way Memory Effect，简写为 TWME）。
三、形状记忆合金的应用(Applications)
形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是
作各种结构件，如
紧固件、连接件、
密封垫等。另外，
也可以用于一些控
制元件，如一些与
温度有关的传感及 自动控制。
1. 工业上的应用
⑴连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量最大的 一项用途。形状记忆效应应用最简单的例子是外部无 法接触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管 接头，连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外
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什么是形状记忆效应
一说到形状，我们就会想到三角型，正方形等这些形状，很少有人了解到形状记忆，也不清楚什么是形状记忆效应。
下面由给你带来关于形状记忆效应的相关信息，希望对你有帮助!
形状记忆效应的定义形状记忆效应是指发生马氏体相变的合金形变后，被加热到终了温度以上，使低温的马氏体逆变为高温母相而回复到形变前固有形状，或在随后的冷却过程中通过内部弹性能的释放又返回到马氏体形状的现象。
它是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。
即它能记忆母相的形状
对于普通金属合金而言，当材料受到低于其屈服强度应力作用时，材料只会发生弹性变形，即当外力撤掉后材料依然能够恢复到原来的形状。
但是当材料受到高于屈服点的应力时，材料会发生塑性变形，即在撤掉外力的作用下，材料依然不会恢复到原来的形状而发生永久变形。
而形状记忆合金产生塑性变形后, 加热到某一温度之上, 能够回复到变形前的形状，即具有形状记忆效应(SME)
形状记忆效应的特性1、非线性
形状记忆效应的非线性主要是指形状记忆合金在拉伸作用下，合金的加热与冷却曲线并不重合，从而形成迟滞。
如果加热与冷却曲线
不存在重合部分，则成为主迟滞，如上图3-1-3。
如果加热与冷却曲线存在部分重合，则称为次迟滞，如曲线3-2-1，3-4-1。
经历多次部分热循环后, 迟滞会发生移动。
2、热力学特性
形状记忆合金在拉伸过程中表现出的应力应变曲线与普通金属合金有较大的差异，在不同温度状态下的应力应变曲线也会发生显著差异，这主要是因为在拉伸过程中晶格变换及存在的相变过程现形状记忆效应的合金应具备以下三个条件
(1)马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型，即马氏体与母相之间的界面的移动是完全可逆的
(2)合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构
(3)马氏体相变在晶体学上是完全可逆的
形状记忆效应可以分为三种(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。
SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦
形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。
两项自由能之差作为相变驱动力。
两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。
只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。
在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。
至今为止发现的记忆合金体系：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si 等。