形状记忆合金的研究与应用

2015年6月21日

形状记忆合金的研究与应用

姓 名： 赵泰先 学 号： 013412154

指导教师：

汪 潇

形状记忆合金的研究与应用

摘要：形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的形变，恢复其形变原始形狀的合金材料。这种合金在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏相变体。

关键词：形状记忆合金（SMA）、马氏相变体、记忆效应（SME）

引言

形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能，是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形[1,2]。当温加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。SMA及其驱动控制系统具有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化；集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单，易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

1、发展史

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"神奇的功能材料"。

最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年科学家及其合作者在等原子比的钛镍合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界

的重视。到70年代初，铜锌、铜金锌、铜铝等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

2、记忆合金种类

2.1 TINi墓合金

TINI基合金由于表现出优良的形状记忆效应和超弹性、高的耐磨耐腐蚀性能,而成为形状记忆合金家族中的佼佼者,是当今最具实用性的形状记忆合金系列。为满足实际应用对TINI基合金提出的各种要求,近年来,我国研究者对合金相图、相变热力学及第三第四合金元素的添加等进行了大量的研究工作。

作者采用多元扩散偶一电子探针微区成分分析技术研究了Ti一Ni一Nb三元系全部成分范围相图的700C、800C、900C等温截面,确定了该三元系在以上3个温度下各相的相平衡成分和相平衡关系仁,一’〕,并提出了可用于热弹性马氏体相变热力学定量分析的改进O一P热力学模型闭。贾堤研究了V对Ti4`Ni47Nb,记忆合金临界屈服强度应力的影响阁。研究结果表明,利用lat写v替代该合金中的Nb,可有效地提高Ti一Ni一Nb记忆合金临界屈服应力,改善该合金的形状记忆回复率。

为提高TINI合金使用温度,人们通过在TINI合金中添加Pd、Pt、Au、Zr和Hf来提高合金的相变温度。其中Pd、Pt、Au的加入使合金的造价极为昂贵,Zr 提高合金相变温度的作用又不十分显著,因而TINIHF合金以其价格低、相变温度高的优势受到高度重视。对TINIHF合金的研究困表明,TINIHF合金的设计准则是:在保持Ni含量低于50at%的情况下,通过调整Hf的含量,使合金获得所需的相变温度及尽可能好的加工性能。与此同时,可添加其它合金元素,在不显著影响合金相变温度的前提下,改善合金的加工性能。在生物医用多孔TINI合金研究方面也取得了较大的进展比日〕。采用燃烧合成工艺研制出性能优良的多孔TINI 形状记忆合金。在形状记忆合金薄膜制备方面,曲炳郡和他的同事采用块材冷轧法制备出理想的TINI合金。该工艺优点是:工艺难度小，制得的薄膜性能稳定可靠,相变温度与相应的块材相差不大;不足是:工艺周期长,且薄膜不能轧到任意

薄,一般在数十微米以上。

2.2铜基合金

铜基合金是继TINI合金之后的又一种实用性较强的形状记忆合金。与TINI 合金相比,它容易加工、成本低,但也存在一些问题,主要是晶粒粗大,热稳定性差以及记忆性能易衰退等问题。为克服以上不足,人们希望通过添加合金元素或改进工艺来细化组织,克服马氏体的稳定化。在铜锌金合金中添加微量斓钵复合稀土(0.01~0.Owt%),能有效细化合金组织,改善力学性能,防止合金发生马氏体稳定化现象,并能减小马氏体相变温度滞后。

在CuAIBe合金中添加微量硼可显著细化合金的晶粒和组织,改变合金的组织形态,且在高温下能有效抑制晶粒长大,改善合金的记忆性能和力学性能。硼的加入量以0.5%~10%范围效果最好即口。

在铜基高温形状记忆合金方面也有进展.研制出的具有高强、高塑性,同时又有较好单向形状记忆效应的Cu一Al一Mn一Zn-Zr合金的As点达到300oC。Zr 的加入使合金的组织得到细化,提高了强度和塑性。合金的强度达25oMPa以上,塑性达7%以上。

3.1铁基合金

TINI基合金虽然有优良的形状记忆效应,但价格较贵,加工困难。铜基合金价格低但性能却不稳定,因而铁基合金以其价格低廉、强度高、加工方便等特点引起工业界的重视。从实用的

观点来看,Fe一Mn一si系形状记忆合金最具有应用前景。

一般情况下,Fe一Mn一Si基记忆合金的最大回复应变量为2%,超过此应变量将会产生不可回复的应变。显然,低的回复应变量是制约铁基记忆合金工程应用的难点之一,为提高材料的回复应变量,热机械处理或训练(Tarining,使材料经历一定变形,在高于Af温度加热后再冷却到Ms以上,如此反复多次)工艺的研究目前受到关注。它可以显著降低诱发马氏体相变的应力,抑制滑移变形,提高回复应变量。天津大学研制开发的Fe-Mn一Si系形状记忆合金,经多次训练后,记忆并未衰减,反而在

一定的训练次数内,有上升的趋势,然后逐渐趋于稳定。

2.4其它合金