磁性形状记忆合金研究进展
第３Ｏ卷第９期 ２０１１年９月 中国材料进展
ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＣＨＩＮＡ Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２０１１
磁性形状记忆合金研究进展
蒋成保，王敬民，徐惠彬
（北京航空航天大学材料科学与工程学院空天先进材料与服役教育部重点实验室，北京１００１９１）
摘 要：磁性形状记忆合金是上世纪９ｏ年代开始出现的一类新型金属功能材料。这类合金兼具热弹性马氏体相变和磁性转
变，其形状记忆效应可以由磁场控制。此外这类合金还具有磁阻、磁热等丰富的物理效应，因而一直是近期研究热点。首先
介绍了磁性形状记忆合金的３个基本特征，即马氏体相变与磁性转变、磁场驱动孪晶再取向和磁场诱发相变。然后分别对Ｎｉ
基、ｃｏ基和Ｆｅ基磁性形状记忆合金的研究现状进行了评述。最后展望了磁性形状记忆合金的发展趋势。
关键词：磁性形状记忆合金；马氏体相变；磁性转变；磁场驱动孪晶再取向；磁场诱发相变
中图分类号：ＴＢ３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—３９６２（２０１１）０９—００４２—０９
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙｓ
ＪＩＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｂａｏ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇｍｉｎ，ＸＵ Ｈｕｉｂｉｎ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ １９９０ｓ．Ｔｈｅ ｍａｇ－ ｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ ｐｏｓｓｅｓｓ ｂｏｔｈ ｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｅ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ｅｆｆｅｃｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ。ｔｈｅｓｅ ａｌｌｏｙｓ ａｌｓｏ ｅｘｈｉｂｉｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｍａｇｎｅ— ｔｏｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ｗｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｒｅｅ ｂａｓｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ，ｉ．ｅ．ｔｈｅ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ。ｍａｇｎｅｔｉｃ—ｆｉｅｌｄ．ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｗｉｎ ｖａｒｉａｎｔｓ ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ—ｆｉｅｌｄ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ．ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｎｉ．ｂａｓｅｄ．Ｃｏ—ｂａｓｅｄ ａｎｄ Ｆｅ—ｂａｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ；ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ；ｍａｇｎｅｔｉｃ—ｆｉｅｌｄ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｗｉｎ ｖａｒｉａｎｔｓ ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；ｍａｎｇｅｔｉｃ—ｆｉｅｌｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
１ 前 言
磁性形状记忆合金是上个世纪９Ｏ年代发展起来的
一类新型形状记忆合金。这类合金的特征是同时具有热
弹性马氏体相变和铁磁性转变，所以其形变可以由磁场
控制。与传统温控形状记忆合金（应变大、响应慢）和
巨磁致伸缩、压电材料（响应快，应变小）相比，磁性
形状记忆合金兼具应变大、响应快的综合优点。此外，
磁性形状记忆合金还具有磁热、磁阻等丰富的物理效
应。因而，磁性形状记忆合金被广泛认为是下一代智能
材料的首选，有望在航空航天、机械电子、能源环境、
信息存储、生物医学等高新技术领域得到重要应用。
自１９９６年Ｕｌｌａｋｋｏ等首次报导了Ｎｉ—Ｍｎ—Ｇａ合金的
收稿日期：
基金项目：
通信作者： ２０１１一Ｏ８—２５ 国家杰出青年科学基金（５０９２５１０１）和国家自然基金委
创新研究群体项目（５０９２１００３）
蒋成保，男，１９６８年生，教授 磁致应变效应以来…，磁性形状记忆合金一直是世界范
围内材料和物理领域的研究热点。关于磁性形状记忆合
金的研究可以分为２个阶段。①１９９６～２００６年，研究热
点是基于磁场诱发孪晶再取向的磁致应变效应。同时，
在这一阶段，人们对磁性形状记忆合金的晶体结构、相
变特性和磁性能等基础问题的认识也逐步深化。（￣）２００６
年至今，研究热点是基于磁场诱发相变的多功能特性。
目前已经报导的磁性形状记忆合金系，根据主体元素的
不同，分为Ｎｉ基、Ｃ０基和Ｆｅ基合金。其中，Ｎｉ基合
金主要包括Ｎｉ—Ｍｎ—Ｇａ，Ｎｉ—Ｆｅ—Ｇａ，Ｎｉ—Ｍｎ—Ａ１，Ｎｉ—Ｍｎ—Ｉｎ，
Ｎｉ—Ｍｎ．Ｓｎ，Ｎｉ．Ｍｎ—Ｓｂ等；Ｃｏ基合金主要包括Ｃ０一Ｎｉ，ｃｏ—
Ｎｉ．Ｇａ，ｃｏ— —Ａｌ等；Ｆｅ基合金主要包括Ｆｅ—Ｐｄ，Ｆｅ—Ｐｔ，
Ｆｅ—Ｍｎ—Ｇａ等。
尽管磁性形状记忆合金这一“年轻”的智能材料目
前仍处于基础研究阶段，但是无论在微观机理，还是在
功能特性方面的研究，在过去的１５年均已取得了长足
进步。人们对磁性形状记忆合金的认识越来越清晰。本 第９期 蒋成保等：磁性形状记忆合金研究进展 ４３
文将综述磁性形状记忆合金的研究进展。首先介绍磁性
形状记忆合金的３个基本特征，即马氏体相变与磁性转
变、磁场诱发孪晶再取向和磁场诱发相变。进而分别评
述 基、ｃｏ基和Ｆｅ基磁性形状记忆合金的研究现状。
最后，对磁性形状记忆合金的未来发展趋势做了展望。
２磁性形状记忆合金的基本特征
２．１ 马氏体相变与磁性转变
如前所述，磁性形状记忆合金同时具有热弹性马氏
体相变和铁磁性转变。热弹性马氏体相变是一种非扩散
型一级固态相变。其特征温度包括马氏体开始温度
和结束温度 ，奥氏体开始温度Ａ 和结束温度 。铁
磁性转变是一种二级相变，其特征温度是居里温度 ，
包括 和 ，分别为奥氏体和马氏体相的居里温度。
研究表明，所有磁性形状记忆合金的马氏体相变温度对
合金成分变化都非常敏感 。而居里温度与成分的关
系比较复杂。Ｎｉ基合金的 受成分影响比较明显，
对成分变化不敏感 。但掺杂往往能显著改变
。ｃｏ基和Ｆｅ基合金的居里温度则随成分变化而
变化 。关于磁性形状记忆合金的相变温度与成分
的关系，目前普遍认为有２种内在因素，即电子浓度
和尺寸因素 。
磁性形状记忆合金的马氏体相变不仅具有与传统形
状记忆合金相似的热、应变、电阻等效应，而且还伴随
有磁性强弱的变化，甚至磁性类型的演变。这使磁性形
状记忆合金呈现出丰富的磁一结构相变特征。根据马氏
体相变温度（以下以 为例）和居里温度（ 和 ）之
间的相互关系，磁性形状记忆合金的磁一结构相变可以
分为２种情况。
第一种情况如图１ａ所示，相变温度之间有３种关
系，即Ｍ ＜ ，Ｍ 和 ＜Ｍ 。相应地，磁
一结构相变方式分别为：铁磁马氏体一铁磁奥氏体一顺
磁奥氏体、铁磁马氏体一顺磁奥氏体、铁磁马氏体一顺
磁马氏体一顺磁奥氏体。在这３种磁一结构相变方式
中，第一种方式马氏体相和奥氏体相均为铁磁性相，但
是马氏体相的磁性比奥氏体相强，所以马氏体相变伴随
有磁性强弱的变化。第三种方式的马氏体相变发生在顺
磁性范围，形变过程中没有磁性变化。最吸引大家注意
的是第二种情况，如图１ａ中阴影部分所示。马氏体相
变时结构与磁性转变共同发生，即从铁磁马氏体转变为
顺磁奥氏体。对于这种相变，一般称之为热磁耦合马氏
体相变。蒋成保等报导了Ｎｉ—Ｍｎ—Ｇａ合金中这种热磁耦
合相变 “］。随后，人们在Ｎｉ—Ｆｅ—Ｇａ¨ ，Ｆｅ—Ｍｎ．Ｇａ 等
合金系中发现了同样的情况。基于这种热磁耦合相变， 人们已经实现了磁场诱发马氏体相变，并获得了磁热、
磁应变等多种物理特性，在２．３中将详细介绍。
第二种情况，如图１ｂ所示。相变温度之间也有３
种关系，即Ｍ ＜ ， ＜Ｍ ＜ 和 ＜Ｍ 。相应地，
磁一结构相变方式分别为：铁磁马氏体一铁磁奥氏体一
顺磁奥氏体、铁磁马氏体一顺磁马氏体一铁磁奥氏体一
顺磁奥氏体、铁磁马氏体一顺磁马氏体一顺磁奥氏体。
第一种和第三种相变方式与图１ａ相同。而第二种方式，
如图１ｂ中阴影部分标注，是一种全新的热磁耦合相变。
例如，在升温过程中，从马氏体向奥氏体转变的同时，
伴随的磁相变不是居里转变，而是从顺磁相向铁磁相的
转变。这种热磁耦合相变是由Ｋａｉｎｕｍａ等２００６年在Ｎｉ一
（Ｃｏ）一Ｍｎ—Ｉｎ合金中首次发现的 。随后，在Ｎｉ一（Ｃｏ）一
Ｍｎ— （ ＝Ｓｎ，Ｓｂ，Ｇａ，ｈｉ） ，Ｎｉ．Ｃｕ．Ｍｎ—Ｇａ［ 。 ］，
Ｍ．Ｆｅ—Ｍｎ—Ｇａ 等合金系中均发现了这一现象。在这一
热磁耦合相变的基础上，人们已经获得了磁场诱发奥氏
体相变及其伴随的磁控形状记忆效应、巨磁阻、大磁热
等丰富的物理效应，在２．３中将进行详细评述。
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
７－： ａＰＵｓｔｅｎａｒａｍａ ｏｎ
／
Ｐａｒａｍａ ｇｎｅｔｉｃａｕｓｔｅｎ
Ｐ ＼ ｉｔｅ ／
／ｍａｒｒｔｅａｍ ａｇｔｎｅｃ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
图１磁性形状记忆合金磁一结构相变的２种情况
Ｆｉｇ．１ Ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏ￣ａｌｌｏｙｓ
２．２磁场诱发孪晶再取向
磁性形状记忆合金最重要的功能特性是其磁致应变
效应，即形变可以由磁场驱动。磁性形状记忆合金的磁
致应变有２种机制，磁场诱发孪晶再取向和磁场诱发相
变。磁场诱发孪晶再取向是由美国ＭＩＴ的０’Ｈａｎｄｌｅｙ
教授及其合作者Ｕｌｌ
ａｋｋｏ于１９９６年首次报导的 。尽管
Ni_43Mn_46-xT_xSn_11T=Fe,Co,Ni合金的马氏体相变和磁熵变
第34卷 第1期Vol134 No11稀 有 金 属CHINESEJOURNALOFRAREMETALS2010年1月Jan12010
收稿日期:2009-05-16;修订日期:2009-05-29 基金项目:国家自然科学基金面上项目(50701022);中国博士后科学基金面上项目(20070420995);江苏省博士后科研资助(B);江苏省教育厅高校自然科学基金(6K3)资助项目 作者简介韩志达(),男,江苏常熟人,博士,讲师;研究方向磁制冷材料3通讯联系人(z@)Ni43Mn46-xTxSn11(T=Fe,Co,Ni)合金的马氏体相变和磁熵变韩志达1,33,崔荣静2,江学范1,王敦辉3,都有为3(1.常熟理工学院物理与电子工程学院,江苏省新型功能材料实验室,江苏常熟215500;2.常熟理工学院化学与材料工程系,江苏常熟215500;3.南京大学物理系,江苏南京210093)摘要:通过示差扫描量热仪和振动样品磁强计对Ni43Mn46-xTxSn11(T=Fe,Co,Ni)铁磁形状记忆合金的相变、磁性以及磁熵变进行了研究。结果表明,由于价电子浓度的增加,Fe,Co,Ni替代Mn使马氏体转变温度大幅提高。Fe,Ni掺杂对马氏体居里温度(TCM)影响不大,Co则使TCM略有下降;奥氏体居里温度(TCA)对成分比较敏感,Fe,Ni的加入均使TCA略有提高,而Co则会大大提高TCA。由于马氏体相变伴随着磁化强度的突变,Ni43Mn46-xTxSn11合金在马氏体相变附近具有较大的低场磁熵变,对于Ni43Mn41Co5Sn11在室温1T磁场下磁熵变达到了19Jkg-1K-1。通过调节成分,磁熵变峰值温度可以在199和294K之间调节,同时保持了较大低场磁熵变。关键词:铁磁形状记忆合金;磁熵变;磁制冷doi:10.3969/j.issn.0258-7076.2010.01.022中图分类号:O482.6 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2010)01-0115-06MartensiticTransformationandMagneticEntropyChangeinNi43Mn46-xTxSn11(T=Fe,Co,Ni)AlloysHanZhida1,33,CuiRongjing2,JiangXuefan1,WangDunhui3,DuYouwei3(1.JiangsuLaboratoryofAdvancedFunctionalMaterials,DepartmentofPhysics,ChangshuInstituteofTechnolo2gy,Changshu215500,China;2.DepartmentofChemistry,ChangshuInstituteofTechnology,Changshu215500,China;3.DepartmentofPhysics,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)Abstract:Thephasetransitions,magneticproperties,andmagneticentropychangesinNi43Mn46-xTxSn11(T=Fe,Co,Ni)ferromag2neticshapememoryalloyswerestudiedbyusingdifferentialscanningcalorimeterandvibratingsamplemagnetometer.ThemartensitictransformationtemperatureincreasedrapidlywiththesubstitutionofMnbyFe,Co,andNi,whichcouldbeattributedtotheincreaseofvalenceelectronconcentration.TheCurietemperatureofmartensiticphaseshowedlittledependenceonthecomposition,whilethecurietemperatureofausteniticphase(TCA)wassensitivetocomposition.FeandNidopingledasmallincreaseofTCA,rgepositivemagneticentropychangeswereobservedduetothelargemagnetizationchangearoundthemartensitictransformationtemperatures.Especially,inNi43Mn41Co5Sn11,themagneticentropychangereached19Jkg-1K-1inthefieldof1Tat294K.Bytuningthecomposition,theworkingtemperaturecouldbeadjustedbetween199and294Kwithlargemagnet2icentropychanges.Keywords:ferromagneticshapememoryalloy;magneticentropychange;magneticrefrigeration 磁制冷是利用自旋系统磁熵变的制冷方式,是一种以磁性材料为工质的独特的制冷技术。由于磁制冷技术具有高效环保稳定等优点及其巨大的市场潜力,成为凝聚态物理、材料、能源、环保等领域的炙手可热的研究方向。低温磁制冷早已实现应用,目前室温磁制冷是磁制冷技术中的研究
形状记忆高分子材料
形状记忆高分子材料
引言
形状记忆高分子材料（SMP）作为一类智能材料，因其可以在适当的刺激条件（如温度、光、电磁或溶剂等）下，响应环境变化，而相应发生形状转变的能力，为解决科学技术难题带来了一种新的方法。1950年，第一次报道了具有形状记忆效应的交联聚乙稀聚合物，并在文中描述了具体的表征方法。这类形状记忆高分子材料与其它形状记忆材料如形状记忆合金和陶瓷相比，具有变形量大、赋形容易、响应温度易于调整，质量轻、价格低、以及易加工成型等优点。而且易于设计成具有良好的生物相容性、可生物降解性的生物材料，比如手术缝合线、支架、心脏瓣膜、组织工程、药物释放、矫形术及光学治疗等。
1. 形状记忆高分子材料的分类
SMPs根据刺激响应的不同可分为热致型，电磁致型，光致型，化学型以及水致型，其中热致型是研究最广也是研究最成熟的一种高分子材料。热致型SMPs由固定相和可逆相两部分组成，其中固定相通常是由化学交联或物理交联点构成，其可以决定初始形变；可逆相通常由结晶结构构成，可随温度变化而进行可逆的软硬化转变。
1.1 热致型SMP
热致型SMP是指材料在初始条件下开始受热，当加热温度达到相转变温度时，同时给材料施加外应力，然后再外力不变的情况下，将温度迅速下降至室温，材料会保持暂时形状，即使在撤去外应力后材料依旧可保持这种状态，直到再次在无应力条件下加热，温度再次达到相转变温度时，材料才会自发地恢复到初始形状。以聚氨酯为例其可以通过改变嵌段共聚物的成分和比例，来改变聚氨酯材料物理化学性质、生物相容性、组织相容性,以及可生物降解性质。形状记忆聚氨酯由软段和硬段组成，其中硬段主要由二异氰酸酯和扩链剂组成，因此刚度比较大，抑制了材料变形过程中大分子链的塑性滑移;软段主要由聚酯多元醇或聚醚多元醇等线性分子组成，因此能够进行较大的形变.一般情况下，在温度增加到软段的转变温度之上时形状记忆聚氨酯材料处于高弹态,而且软段微观布朗运动的加剧，致使材料容易变形，此时因为硬段还处于玻璃态，所以阻止了分子链滑移的同时产生了一个内部的回弹力；当温度从冷却的温度增加到软段的转变温度以上时，硬段储存的应力释放，进而导致了材料能够回复到初始形变。但是并非所有的聚氨酯都具有形状记忆效应，只有当软硬段分子量控制在一个的合适范围内时，聚氨酯才具备形状记忆效应. 1.2 电、磁致型SMP
一种引人注目的新材料——形状记忆合金
一种引人注目的新材料——形状记忆合金
亚历山大·拉佐夫
【期刊名称】《宁波大学学报（理工版）》
【年(卷),期】2001(014)001
【摘 要】描述了形状记忆合金的基本实用特性，并从力学的观点介绍了对它的认识过程以及可遂马氏体相变过程，描绘了合金的形状记忆效应、变形引发相变、回复应力，超塑性和双向记忆效应。%The basic functional properties of shape
memory alloys are described. A small historical sketch and kinetics of
reversible martensite transformations from mechanical point of view are
presented. Shape memory effect, transformation induced plasticity,
reactive stresses, superelasticity and two-way shape memory are
mentioned.
【总页数】7页(P76-82)
【作 者】亚历山大·拉佐夫
【作者单位】俄罗斯国立圣彼得堡大学数学与力学研究院,
【正文语种】中 文
【中图分类】TG139+.6
【相关文献】
1.形状记忆合金研究,开发现状：中日双连形状记忆合金研讨会见闻 [J], 张小明;杨冠军 2.用于化工装置上的新材料：使用形状记忆合金的换热器 [J], 何庸
3.Ni_2MnGa和CuGaMn磁性形状记忆合金及Ti-Nb形状记忆合金 [J],
4.一种形状记忆合金自复位橡胶阻尼器 [J], 赵敏
5.一种Ni_(47)Ti_(44)Nb_(9)形状记忆合金管路连接件的研制 [J], 陈启章;王双飞;陈富夫;贾翼洲
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【1】马氏体相变研究的进展_一_
本文系第8次全国热处理大会特邀报告,2003年5月,北京。350年代经我国自然科学名词审定委员会审定的名词,此前曾沿用音译名词;台湾地区目前仍通行旧的音译名词。马氏体相变研究的进展(一)
徐祖耀(上海交通大学,上海 200030)
【摘要】 概述对马氏体相变基本特征认识的进程,以及与马氏体相变密切相关的形状记忆材料的发展。对马氏体相变热力学、动力学、晶体学、形核-长大、非线性物理模型以及形状记忆效应、伪弹性和伪滞弹性研究进展作了总结。对马氏体相变的继续研究和应用作了展望。全文分两期发表。【关键词】 马氏体相变 热处理原理 形状记忆材料 热力学 动力学 晶体学 相变建模
PROGRESSINMARTENSITICTRANSFORMATIONS(Ⅰ)
XuZuyao(ShanghaiJiaotongUniversity)
【Abstract】 Progressinthecharacteristicsofmartensitictransformationandthedevelopmentofitsclose2relatedshapememorymaterialsweregenerallydescribed.Asummaryreportwasmadeabouttheprogressofthermodynamics,kinetics,crystallography,nucleationandgrowth,non2linearphysicsmodelsofmartensitictransformationsaswellasshapememoryeffect,pesudoelasticityandpseudo2anelasticityofsomematerials.Perspectiveinfurtherstudyandapplicationsofmartensitictransformationswaspresented.Thisarticleispublishedintwoissues.【KeyWords】 MartensiticTransformation,HeatTreatment,ShapeMemoryMaterials,Thermodynamics,Kinetics,Crystallography,TransformationModeling
形状记忆合金简介
11形状记忆合金简介
An Introduction to
Shape Memory Alloys
柳祝红
北京科技大学物理系
2主要内容
¾形状记忆合金的定义
¾马氏体相变
¾相变伪弹性
¾磁性形状记忆合金
¾形状记忆合金的应用
3形状记忆合金
•形状记忆效应：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)，在某一温度下(处于马氏体状态M
f)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完全消失温度A
f)上时，材料恢复到变形前的初
始形状。
•具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金
4马氏体相变
•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式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。
板条马氏体钢的淬火
5马氏体相变
•面心立方的奥氏体晶粒内的原
子经无扩散位移，产生形状改
变和表面浮凸，这种呈现不变
平面特征的一级相变、形核长
大型相变称为马氏体相变，相
变后形成体心立方的马氏体。
•把马氏体相变开始和相变结束
的温度表示为M
s和M
f，把马
氏体逆相变(转变成奥氏体)的
温度表示为A
s和A
f。
6热诱发马氏体相变
MfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATURE
MfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATURE(twinned)
(twinned)Characteristic
temperatures:
M
f=Martensitic Finish
M
s=Martensitic Start
A
s=Austenitic Start
A
f=Austenitic Finish
27Martensite
•Low temperature phase
•Monoclinic Crystal StructureAustenite
•High temperature phase
•Cubic Crystal Structure
铁基形状记忆合金加固钢梁和混凝土梁的加固机理与研究进展
第 39 卷第 6 期2023 年12 月结构工程师Structural EngineersVol. 39 ， No. 6Dec. 2023
铁基形状记忆合金加固钢梁和混凝土梁的
加固机理与研究进展
强旭红1 武亚鹏1 姜旭2，* 罗永峰1
（1.同济大学建筑工程系，上海 200092； 2.同济大学桥梁工程系，上海 200092）
摘 要 土木工程中钢梁或混凝土梁在服役过程中会发生开裂、损伤、老化和承载力退化等问题，常常
需要对结构进行加固来保证其承载能力、延长其使用寿命。目前，应用铁基形状记忆合金（Fe-based shape memory alloys，Fe-SMA）对结构进行预应力加固被证明是一种高效可靠的方式。对形状记忆合金
的形状记忆特性、激活回复性能和基本力学性能研究现状进行了梳理，对用Fe-SMA进行结构加固的热
激励加固原理进行了阐述。在此基础上，从加固钢梁和混凝土梁两个方面，梳理了Fe-SMA构件和被加
固结构之间的连接方法，根据加固需求和目的对现有研究和应用进行了分类分析和总结。最后，针对目
前的研究与应用现状的不足之处，对Fe-SMA应用于结构加固进行了展望，以期促进其在土木工程领域
的合理应用。
关键词 铁基形状记忆合金， 梁结构加固， 材料性能， 结构性能提升
Strengthening Mechanism and Research Progress on Strengthening
Steel Beam and RC Beam with Fe-based Shape Memory Alloys
QIANG Xuhong1 WU Yapeng1 JIANG Xu2，* LUO Yongfeng1
（1.Department of Structural Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）
记忆合金
记忆合金
记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做"记忆合金"。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准确地说应该称之为"记忆形状的合金"。此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。科学家们现在已经发现了几十种不同记忆功能的合金，比如钛－镍合金，金－镉合金，铜－锌合金等。
19世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条向前冲去；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里，拉长一个弹簧，把弹簧放入热水中时，弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状，而在热水中，则会收缩，弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩，收缩再拉开。这些都由一种有记忆力的智能金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。这种材料就叫做记忆金属（memory metal）。它主要是镍钛合金材料。例如，一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处于螺旋状态。在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但只要镍钛记忆合金丝把它加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺旋形态。例如，镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的，但温度在40℃上下变化时，合金就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。这里，40℃就是镍-钛记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。
镍钛形状记忆合金在骨科的研究与应用
西南国防医药２００９年第１９卷第３期 ·３５３·
镍钛形状记忆合金在骨科的研究与应用
宋晓飞，林月秋
（成都军区昆明总医院骨科，云南昆明６５００３２）
关键词记忆合金；骨科；内固定
中图分类号Ｒ ６８３ 文献标识码Ａ 文章编号１００４—０１８８（２００９）０３—０３５３—０２
形状记忆合金是一种处于特定状态下，进行一定程度的
变形后，经加热处理能够恢复到原来形状的材料…。１９３８年
Ｇｒｅｎｉｎ￣ｒ等发现，ｃｕ—ｚｎ和ｃｕ—ｓｎ合金都具有形状记忆效
应。１９６０年Ｒａｙｍｅｎ在航天工业实现了形状记忆合金的第一
个工业应用，１９７５年Ａｎｄｒｅａｓｅｎ利用记忆合金首先制造出牙科
内植物超弹性器械，１９８１年第一种记忆合金骨科器械——用
于髌骨治疗的加压骑缝钉产生。目前形状记忆合金已广泛应
用于医学领域，如骨科内植物 、心血管材料 、外科和牙科
器械 。本文就镍钛形状记忆合金的功能特性及在骨科的
应用作一综述。
１镍钛形状记忆合金的功能特性与安全性能研究
１．１镍钛形状记忆合金的功能特性记忆合金与一般金属
材料的力学特性有很大区别，它们的材料弹性模量与合金成
分、加工方式、热机械处理有关，而呈现不同的物理特性。至
今已发现具有形状记忆功能的材料有近１００种，其中Ｎｉ—Ｔｉ
系记忆性能最突出，应用也最为成熟和广泛。镍钛形状记忆
合金作为记忆合金的代表，以其８％的变形率、百万次的循环
次数、超细的晶粒度、优异的抗腐蚀性和生物相容性以及低弹
性模量、低磁性、低比重和射线不透性，被认为是最佳的生物
植入材料。由于镍钛记忆合金的弹性模量在５２—５９ Ｇｐａ之
间，是不锈钢的１／４，与人体皮质骨较为接近。依据ｗｏＩｆｆ定
律，低弹性模量的器械能够消除应力遮挡现象，避免骨质疏
松。此外，记忆合金在形变恢复过程中能够对外做功，而坚强
固定下的持续应力刺激是促进骨愈合的主要因素之一，所以，
其制作的接骨板或聚髌器，都可在形变恢复过程中产生持续
日本开发磁性形状记忆合金
现代材料动态 ２００６年第８期 ＳｉＧｅ／Ｓｉ系统。基于驰豫ＳｉＧｅ／Ｓｉ（含应变ｓｉ层和应变Ｇｅ层）的工程化衬底已得到长沟道 ＭＯＳＦＥＴ，其ＮＭＯＳ中驱动电流提高２倍而ＰＭＯＳ驱动电流提高１０倍。利用任何其它正在研究 中的工艺，对ＭＯＳＦＥＴ得不到更大的驱动电流增强。 （邓志杰摘译） ＜／ 、＜ 阔 ｝料： 日本开发银．钯合金纳米粒子浆料 日本大阪市立工业研究所和大研化学工业共同开发出一种以粒径约５ｎｍ的银．钯合金纳 米粒子为主要成分的电子电路用合金纳米粒子浆料。由于使用了银．钯合金纳米粒子，与此 前的银纳米粒子浆料相比，可抑制银的迁移，并可在聚酰亚胺那样柔性塑料基板上制成高可 靠性电路。另外，由于可任意调整合金纳米粒子的金属组分，因此可根据用户需要提供不同 组分的合金纳米粒子浆料。由于使用了纳米粒子，对幅宽为２０ ｍ的微细电路图案也可简单 地进行丝网印刷，并仅通过低温热处理就可制出导电电路。 银纳米浆料是一种新的电路制作材料，适用于手机等小型电器上的电子零部件电路。以 粒径为数纳米至数１０ｎｍ的银纳米粒子为主要成分的银纳米粒子浆料，由于具有纳米粒子特 有的低熔点、低温烧结的性能，可在１５０，－－３００℃进行热处理，因此作为可在塑料基板上制作 电路的材料引起人们关注。 银作为导电性良好的金属一直广泛用于电子电路制造。但在印刷线路板电极间附加电压 时，受吸潮影响会导致电路绝缘性能下降，银粒子从电极析出，即银的迁移，使电极间发生 短路。因此，在使用微细金属粉末浆料制作高可靠性电路时，为防止迁移现象产生使用银． 钯粒子。为提高纳米粒子银．钯浆料实用化水平，上述两家公司开发出将银和钯与有机物化 合生成的化合物，分别以任意组分进行混合，只经加热分解处理，就可大量生产的方法。还 开发了可根据原材料混合比任意控制银、钯比例的合金纳米粒子。这种合金纳米粒子，被原 材料中的有机物覆盖，可容易地二次加工成合金纳米粒子浆料。 （杨晓婵摘译） 日本开发磁性形状记忆合金 日本东北大学研究生院工学研究科石田清仁教授等人开发出一种通过外加磁场就可产 生较大变形的新型磁性形状记忆合金。这是一种结晶结构从强磁性向弱磁性转变的新合金。 由于该合金可比通过外加磁场产生变形（或对材料施加外力磁化发生变化）的磁应变材料获 得更大的应力和变形，因此有望用于磁致动器、磁传感器、热磁气马达（由温度变化导致磁 性能产生较大变化的马达）等。 新合金（ＮｉＭｎＩｎ）与以前的ＮｉｌＶｌｎＧａ＇￣金（施加磁场产生相变，撤去磁场恢复原状）不 同，可在室温附近从母相（强磁性）转变为马氏体相（弱磁性）。若将温度保持在相变温度 附近，外加磁场，可产生恢复母相的逆转变。由实验可知，对压缩了３％的马氏体单晶试样 施加强磁场，可使形状完全恢复。 美国麻省理工学院开发的ＮｉｌＶｌｎＧａ系单晶合金变形量虽达到９％，但在室温只产生３ＭＰａ
形状记忆合金的研究与开发动向
忘 砖霞
形状记忆合金的研究与开发动向 １９５ １年，人们首次在Ａｕ．Ｃｄ合金中发现 了形状记忆合金（ＳＭＡ）的效应，ｌ０余年后，美 国海军研究所的Ｂｕｅｈｌｅｒ等人也在ＴｉＮｉ合金中 发现了形状记忆效应（ＳＭＥ），从而引起了众多 学者的研究兴趣。从１９７０年起，ＳＭＥ的基础 研究开始活跃起来。２０世纪８０年代，随着新 材料的不断涌现和迅速发展，不仅基础研究， 应用研究也空前活跃。 在ＴｉＮｉ合金中，单斜晶体Ｂｌ９ 是马氏体 的基本组织。在由体心立方结构向密集斜方 结构的相转变过程中，化学成分对相变温度 Ｍｓ点影响很大，这一点从弹性模量变化中可 看出。 日本挂下等人对形状记忆合金的等温转 变和非等温转变的研究结果表明，在磁场下， 先将等温相转变为非等温相，然后使非等温 相在静水压力下变为等温相。非等温相在马 氏体相变点Ｍｓ以上进行等温转变是很有意 义的。 近年来，形状记忆合金薄膜的研究也很活 跃。采用溅射沉积法制作的ＳＭＡ薄膜的机械 性能类似于大块材，试片在制作过程中是通过 非晶态形成Ｔｉ２Ｎｉ相的。值得注意的是，虽然 薄膜的组织与大块材不同，但基本的相特征却 很相似。ＴｉＮｉ合金与硅薄片的复合是今后研究 的重点。 最近，人们又开发出一种具有强磁性的 ＳＭＡ，这类合金与普通的ＳＭＡ相比较，其响 应快得多，且无需通过热传导就能使其产生逆 相变。 事实上，形状记忆合金的实际应用始于 ２０世纪７０年代，较成功的实例是美国海军Ｆ１４ 战斗机油压系统的管接头，空调的温控开关， 胸罩、牙齿矫形，手机用丝材天线等。近年来， 外科手术用ＳＭＡ导向丝材发展也很迅速，因 为ＴｉＮｉ合金的耐蚀性和生物相容性好，并且 具有超弹性，故在医学领域将有巨大的应用潜 力。在航空领域，为了增加飞机机身的安全性， 目前，正在开发一种新型材料，即碳纤维和 Ｔ ｉ合金合成的复合材料，此类复合材料主要 用作飞机机身。 在高温下使用ＳＭＡ还存在许多问题，因 为目前ＳＭＡ的使用温度仅限于１００￣Ｃ以下， 若开发出高温形状记忆合金，则可用作飞机发 动机部件、涡轮叶片等。 形状记忆合金在使用过程中还存在疲劳、 失效、记忆模糊等问题，这些都是阻止形状记 忆效应的难题，也是扩大应用领域的一大障 碍，因此，这将成为今后研究的重要课题之一。 （杨英丽） 超导技术在节省能耗和减少Ｃ０ 排放中的应用评估 针对因温室效应引起的气候变化，包括日 本在内的世界发达国家一直致力于避免由此 产生的全球环境危机，１９９７年联合国召开第 三届国际会议曾讨论减少气体排放问题，而应 用超导电性就可给人们带来这方面的好处，利 ｌ２稀有金属快报２００２年第６期 用超导体的零电阻现象来减少能量消耗以及 ＣＯ２排放。为深入研究超导技术对节能的效益， 日本ＩＳＴＥＣ在１９９８和１９９９财政年度就进行 这种评价研究工作，不仅包括能源动力应用，