形状记忆合金的动作(相变)温度测量(DTA法)
5.1 形状记忆合金
按六个等效晶面、四个等效晶向组合 共有24个等效的取向关系。 单晶的母相中形成马氏体时，马氏体按24 个等效的取向关系形成，每个位向的马氏 体称为马氏体的一个变体，共24个变体
马氏体的对称性低 {128}晶面组的各 个晶面不等效 <210>晶向组中的 各个晶向不等效
马氏体中逆转变回母相时，并无多个 等效的取向关系，马氏体只能按其由 母相中形成的取向关系逆转变回母相 马氏体逆转变完成后，母相在晶体学上回复到 马氏体相变前的状态，晶体学上可逆。
双程记忆过 程有一定的 残余变形
双 程 记 忆 效 应 过 程 示 意 图
双程记忆效应的机理
双程记忆效应中加热时样品形状回复的道理与单程 形状记忆是一致的
冷却形成马氏体时样品也发生形状变化也是由于当 马氏体形成时马氏体变体定向排列时在单程形状记 忆和超弹性效应中马氏体的定向排列是靠外力的作 用而实现的。在双程记忆效应中没有施加外力，马 氏体的定向排列是由合金在微观组织结构上的内在 因素的作用而实现的。而双程记忆训练的目的就是 在合金内引入能使马氏体形成时定向排列的微观组 织因素。 这些组织因素包括定向排列的位错、析出 相等。
(110)p//(128)M
母相与马氏体之间的取向关系： [111]p//[210]M
(110)p偏离(001)M约4o
母相具有立方晶系高对称性 {110}晶面组的6个晶面等效 （110）（110）（101） （101）（011）（011）
<111>晶向组的4个晶向等效 [111] [111] [111] [111]
通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩 来实现人工肌肉的功能。用背部的 金属纤维振动翅膀
在航空上的应用—— 月球上的“奇葩” 在室温下用形状记忆合金 制成抛物面天线，然后把它 揉成直径5厘米以下的小团， 放入阿波罗11号的舱内，在 月面上经太阳光的照射加热 使它恢复到原来的抛物面形 状。这样就能用空间有限的 火箭舱运送体积庞大的天线 了。
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
马氏体相变与形状记忆效应讲解
Gc P→M
右图中:T0是母相与马氏体相 吉布斯自由能相等的温度， 即两相处于平衡的温度．
马氏体形成：驱动力必须 克服相变阻力，即： －Gc P→MGnc P→M + Gs 即相变要有过冷度．
马氏体转变开始的温 度：Ms．
2
• 对于一些材料，如钢，相变时应变能等相变阻力较高，需要很大的过冷度. • 有一些合金，相变阻力较小，相变时应变能在合金的弹性应变能范围内, 只需
• 马氏体对称性低，{128}晶面组的各个晶面不等效， <2 1 0>晶向组的各个晶 向也不等效.
• 由马氏体逆转变回母相时，没有多个1等效的取向关系．马氏体只能按其在母 相中形成的取向关系逆转变回母相．这样，马氏体逆转变完成后，母相在晶 体学上回复到马氏体相变前的状态．这一晶体学上的回复以及相变热力学上 的可逆性是形状记忆效应的基础．
境温度,马氏体开始形成.
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• 右图：
–变形温度T＜Mf， 呈现形状记忆效应；
–变形温度Ａf ＜ T＜ Md ， 呈现超弹性效应； –变形温度T：Ms－As， 施加外力，应力诱发马 氏体形成．卸除外力， 因T ＜As，马氏体不能 逆转变回母相，需加热， T ＞Af，马氏体才能完 全逆转变回母相．合金 仍呈现形状记忆效应．
较小的驱动力，即较小的过冷度, 就开始形成马氏体. – 对这些合金： • 随着马氏体的形成，弹性应变能 ，需温度 ，化学驱动力 ，母相 马氏体． • 温度，化学驱动力，弹性应变能驱动逆转变：马氏体母相． • 相变中，冷却时马氏体长大，加热时马氏体缩小．马氏体的长大和缩 小受热效应（化学驱动力）和弹性效应两个平衡条件的制约．这种由 热效应与弹性效应之间的平衡控制的马氏体相变称热弹性马氏体相变， 其产物称热弹性马氏体． • 由于热弹性马氏体相变的应变能在弹性应变能范围内，相变的过冷度 很小，热弹性马氏体相变是可逆相变．
低温形状记忆合金的相变温度变化
１ 实验 方 法
装 置为实验 室 自制低温 电阻测量装置 ，其 原理 图如
图 １ 示。 所
领域得 到了广泛应用 ［ ］ 其 中 Ｃ — 一 １ － ３ ｕＡ１ Ｍｎ形状记忆合金 因其成本低 、工艺简单且具有优 良的形状记忆性 能更是 得 到广 泛关注 ，具 有潜 在 的商业 价值 ［ ］ ｕＡ ． ４ 。Ｃ ． １ － ６ Ｍｎ形 状 记忆 合金的相变点是其重要性 能指标之 一，它决定了 形状记忆 合金器件的工作环境 ，因而低温形状记忆 合金 相变 点的精确测量 ，对其实际应用具有重要意义。
ｄ ｉ Ｏ３ ６８ｉ ｎ２ ９ —７ ４２ １．１ ０ ｏ： ．９ ９ ．ｓ ． ５１４ ．０ ２０ ． ９ ｌ ｓ ０ ０
低温形状记忆合金 的相变温度变化
圜 莫 露，万发荣，龙 毅 ， 黄绍松，高 进，陈东升 北京科技 大 学 材料科 学与工程 学院，北京 １０８ ００３
摘 要：利用低 温 电阻法 、差 示扫描量 热法 （ Ｃ）、物性 测量系 统 （ Ｐ ＤＳ Ｐ ＭＳ）等 手段对马 氏体 相
变温度 为 １０ ０ Ｋ左右 的低 温 Ｃ — 卜 形状 记忆合金 的相 变温度进行 了测量，研 究 了不 同热处理 ｕＡ Ｍｎ 工艺下的相变点变化 。结果表 明，淬火后 的记忆合金相 变温度相 比退火 后明显降低 ，而不同的淬 火速率也使 Ｃ — 卜 形 状记忆合金相 变温度 有所 变化。 ｕＡ Ｍｎ
忆合金 的相变温度 以及 确定影响其相变温度 的因素 非常
重要 。
图 １自制低温 电阻测量装置原理图
利用低温 测 电阻装 置、差示扫描量热 法 （ Ｃ ＤＳ ）对 低温 Ｃ ． １ ｕＡ ． Ｍｎ形状 记忆 合金升温 及降温过 程 中的相变 该实验装置采用 四线法 直流 电阻测试。待测样 品的 外端为 电流输入端，通过恒流源输入一个不随负载 电阻变 化的稳定电流 ；内端为电压端，通过数字微伏 电位差计来
第4章形状记忆合金精品PPT课件
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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）
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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
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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
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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
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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。
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niti形状记忆合金的dsc曲线
一、概述形状记忆合金（SMAs）是一种具有记忆性能的功能材料，具有形状可逆性和超弹性等独特性能。
其中，niti形状记忆合金由镍和钛两种元素组成，具有优良的记忆性能和机械性能，被广泛应用于医疗器械、汽车、航空航天等领域。
而动态扫描量热仪（DSC）曲线是研究niti形状记忆合金相变行为的重要手段。
二、niti形状记忆合金的基本性能1. 记忆效应niti形状记忆合金具有记忆效应，即在预设的形状被改变后，当受到外力或温度变化等刺激后，能够恢复到其预设的形状，这一特性使得niti形状记忆合金在医疗领域中得到广泛应用，如血管支架等医疗器械的制造。
2. 超弹性niti形状记忆合金还具有超弹性，即在受到外力作用时，能够产生较大的形变而不会发生塑性变形，一旦外力消失，又能够自行恢复原有形状，这种性能使得niti形状记忆合金在汽车和航空航天领域中得到广泛应用。
三、动态扫描量热仪曲线的意义1. 相变温度动态扫描量热仪曲线可以帮助研究人员测定niti形状记忆合金的相变温度，包括马氏体相变和铁素体相变的温度范围和特性，这对于合金的性能评价和应用具有重要意义。
2. 相变热DSC曲线还可以用来测定niti形状记忆合金的相变热，即相变过程中所释放或吸收的热量，这对于理解合金的相变机制和热力学性能具有重要意义。
四、niti形状记忆合金的DSC曲线特征1. 马氏体相变峰在DSC曲线上，马氏体相变通常会呈现出一个明显的放热峰，该峰对应着马氏体相变所释放的热量，通过测定该峰的温度和面积可以得到相变温度和相变热。
2. 铁素体相变峰在DSC曲线上，铁素体相变也会呈现出一个放热峰，该峰对应着铁素体相变所释放的热量，通过测定该峰的温度和面积可以得到相变温度和相变热。
五、niti形状记忆合金的DSC曲线分析1. 相变温度通过分析DSC曲线上的马氏体相变和铁素体相变的温度峰值可以得到合金的相变温度范围，并进一步研究相变温度与合金组织结构和成分之间的关系。
电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究
电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究【电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究】1. 引言镍钛铌形状记忆合金作为一种具有形状记忆效应和超弹性的材料，已经在许多领域得到广泛应用，例如机械工程、航空航天、医学等。
对于这种合金的研究，特别是对其相变点的准确测量，一直是学界和工业界关注的热点问题。
而电阻法作为一种简单有效的测量方法，成为研究者们广泛采用的手段之一。
2. 电阻法原理电阻法通过测量镍钛铌合金在相变过程中电阻的变化，来确定其相变点。
镍钛铌合金在相变过程中，其晶体结构由初始的立方相转变为四方相，这种结构转变会引起电阻的明显变化。
利用电阻-温度曲线，可以准确测量出合金的相变点。
3. 电阻法测量步骤（1）样品制备：需要准备一定尺寸和形状的镍钛铌合金样品。
样品的制备应遵循一定的标准和要求，以确保测量结果的可靠性。
（2）电路搭建：将合金样品连接到电路中，在一定电流下通过样品。
还需要将温度传感器安装在样品靠近的位置，以测量温度变化。
（3）测量过程：通过电压表或电流表来测量电路中的电流和电压变化。
将测量得到的数据与温度传感器测得的温度数据相对应，可以得到电阻-温度曲线。
（4）数据处理：根据得到的电阻-温度曲线，可以确定相变点的温度。
对于镍钛铌合金来说，室温下其相变点通常在50-100摄氏度之间。
4. 相关研究成果许多研究者已经利用电阻法对镍钛铌形状记忆合金的相变点进行了测量，并取得了一些有价值的成果。
他们通过改变合金的组成、热处理条件等因素，来探究相变点的变化规律。
这些研究为我们更深入地理解镍钛铌合金的相变机制和性能调控提供了重要参考。
5. 个人观点和理解对于电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究，我认为还存在一些挑战和机遇。
我们需要进一步改进实验装置和数据处理方法，以提高测量精度和可靠性。
另我们可以结合其他测量方法，如差示扫描量热法等，来互相验证和补充测量结果，以获得更全面的信息。
6. 总结与回顾本文主要介绍了电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究。
形状记忆合金及其相变机制
形状记忆合金及其相变机制教学重点：9形状记忆效应9镍钛形状记忆合金及其相变9铁锰硅基记忆合金及其应力诱发马氏体相变形状记忆效应·形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME) :将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。
形状记忆材料●具有形状记忆效应的合金:形状记忆合金具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)。
●20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。
●具有形状记忆效应的材料统称为形状记忆材料形状记忆效应可分为3种类型：①单程形状记忆效应②双程形状记忆效应③全程形状记忆效应单程形状记忆效应：合金在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。
图1 单程形状记忆效应图2 双程形状记忆效应●双程形状记忆效应：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，或称为可逆形状记忆效应。
●全程形状记忆效应：当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高温相形状的现象（只能在富镍的Ti-Ni合金中出现）。
图3 全程形状记忆效应●普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。
●大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应。
形状记忆原理与马氏体相变奥氏体(A) 马氏体(M)图4 45＃钢淬火工艺曲线AM钢的马氏体相变不可逆冷却加热●热弹性马氏体：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小A M冷却加热热弹性马氏体相变可逆性过程s G Δ●弹性应变能以外的相变阻力(近似为定值)●母相转变为马氏体的化学驱动力()P M P M P M c nc s G T G G G →→→Δ=Δ+Δ+Δ()M P T G Δ→●母相转变为马氏体的驱动力MP nc G +Δ→●非化学驱动力(相变时新旧相体积变化产生的应变能)()P M M P c G T G G →Δ=−马氏体相变动力学：图5 马氏体相变驱动力与温度的关系TM cGM P ncG+Δ→sG ΔGT 0M SMs ——冷却时产生热弹性马氏体的起始温度M f ——冷却时转变的终止温度As ——升温时逆转变的起始温度A f ——逆转变终止温度温度马氏体低温相奥氏体母相As A fMsM f电阻图6随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化降温升温热弹性马氏体随温度变化的相变过程图7 形状记忆效应机制示意图变体界面移动，相互吞食变形前后M 结构未变结构相同，位相不同的马氏体原子排列面的切应变图8 形状记忆合金晶体结构变化模型在T 0与Ms 之间的某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变。