形状记忆合金(修改)

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形状记忆合金

TiNi合金全程记忆处理
全程记忆效应的出现是由于与基体共格的Ti11Ni14析出相产生的某种固定的内应力所导致，应力场控制了马氏体可逆相变的路径，使马氏体的可逆相变按固定路径进行。全程记忆处理的关键是限制性时效，必须根据需要选择合适的约束时效工艺。
形状记忆合金的其他处理
改变金中掺杂Au或Pt可以显著提高合金的相变温度，使之成为高温形状记忆合金。随着材料先进制备技术的飞速发展，纳米化处理也越来越多地应用于形状记忆合金中。
TiNi合金双程记忆处理
合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性的应力场或晶体缺陷，相变时马氏体容易在这种缺陷处形核，同时发生择优生长。通过记忆训练(强制变形)获得双程记忆能力：先获得单程记忆效应，记忆高温相的形状；随后在低于Ms温度，根据需要形状进行一定限度的可恢复变形；加热到As以上温度，试样恢复到高温态形状后，又降低到Ms以下，再变形试件，使之成为低温所需形状；如此反复多次后，就可获得双向记忆效应
形状记忆合金
Shape Memory Alloy
主要内容
形状记忆合金的发展形状记忆合金的原理形状记忆合金的制备形状记忆合金的应用
形状记忆合金的发展
形状记忆合金的原理
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 Mf)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Af)上时，材料恢复到变形前的初始形状。
TiNi合金单程形状记忆处理
单程记忆处理方法有三种 • 中温处理 • 低温处理 • 时效处理中温处理是将轧制或拉丝加工后充分加工硬化的合金成形成给定形状，在400-500℃温度下保温几分钟到几小时，使之记住形状的方法。低温处理是在高于800℃的温度下保温后进行完全退火，然后在室温下制成特定形状，在200-300℃ 的低温下保温一定时间，以记忆其形状的方法。时效处理是一种在800-1000℃温度下固溶处理后进行淬火，然后在400-500℃的温度下进行几小时时效处理的方法。

形状记忆合金课件

✓ Cu基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比TiNi 合金差，但价格仅为TiNi合金的l/10，在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要降低成本的情况下使用；
✓ Fe基合金价格低，加工性能好，力学强度高，在应用方面具有明显的竞争优势，但其形状记忆效应不是很好。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
✓ 只对Ni含量高于50.5at％的富Ni合金有效。
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形状记忆处理
形状记忆合金的制备通常是先制备合金锭，之后进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。
为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状。
形状记忆处理(一定的热处理)是实现合金形状记忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。
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形状恢复完全可逆需具备以下条件：
➢ 马氏体相变是热弹性的； ➢ 母相和马氏体呈现有序的点阵结构； ➢ 马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或
层错； ➢ 马氏体相变在晶体学上是可逆的。
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随着形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。
形状记忆效应原理
形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后，经加热到某一温度后能够恢复变形，实质是热弹性马氏体相变。
马氏体在外力下变形成某一特定形状，加热时已发生形变的马氏体会回到原来奥氏体状态，这就是宏观形状记忆现象，如右图所示。
图6 形状记忆效应过程的示意图
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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

形状记忆合金的应用

形状记忆合金的应用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有记忆能力的特殊金属材料，具有很广泛的应用前景。

形状记忆合金在各个领域都有不同的应用，包括机械工程、医疗器械、航空航天等。

本文将介绍形状记忆合金的原理和几个主要应用领域，并对其应用前景进行展望。

我们来了解一下形状记忆合金的原理。

形状记忆合金是一种能够在外界刺激下发生可逆性形状变化的材料。

其形状记忆效应是由于合金中存在的固态相变引起的。

当形状记忆合金处于高温状态时，其具有良好的塑性，可以被加工成各种形状；而当温度降低到固定温度（也称为相变温度）以下时，形状记忆合金会发生固态相变，恢复到其记忆的形状。

这种特性使得形状记忆合金在许多应用领域有着独特的价值。

形状记忆合金在机械工程领域的应用非常广泛。

例如，在汽车制造过程中，形状记忆合金可以用于制造车身零部件、发动机阀门等。

当发生碰撞时，形状记忆合金可以通过自身的形状恢复能力，使车身零部件恢复到原始形状，从而减少碰撞对车辆的损害。

此外，形状记忆合金还可以用于制造机械臂、舵机等机械装置，通过控制温度来实现精确的运动控制。

医疗器械领域也是形状记忆合金的重要应用领域之一。

例如，在牙科医疗中，形状记忆合金可以用于制作牙套和矫正器等器械，通过控制温度来调整其形状，从而实现对牙齿的矫正。

此外，形状记忆合金还可以用于制造支架和血管材料等，通过温度变化来适应人体血管的形状，从而实现更好的医疗效果。

航空航天领域也是形状记忆合金的重要应用领域之一。

在航空航天器的制造中，形状记忆合金可以用于制造舵面、襟翼等部件，通过控制温度来实现对航空器的姿态控制。

此外，形状记忆合金还可以用于制造航天器的太阳能板，通过温度变化来调整太阳能板的展开和收起，实现对太阳能的更好利用。

除了上述几个领域，形状记忆合金还有许多其他的应用。

例如，它可以用于制造眼镜架、手表带等日常用品，通过温度变化来调整其形状，提高使用的舒适度。

形状记忆合金原理

形状记忆合金原理形状记忆合金是一种具有记忆性能的特殊合金材料，它可以在受到外部作用力后发生形状变化，并在去除外部作用力后恢复原来的形状。

这种材料的原理和应用领域备受关注，下面我们来详细了解一下形状记忆合金的原理。

形状记忆合金的原理主要基于固体相变的特性。

在形状记忆合金中，存在两种不同的相，奥氏体相和马氏体相。

奥氏体相是高温相，具有高度的可塑性和变形能力；而马氏体相是低温相，具有形状记忆和超弹性的特性。

当形状记忆合金处于高温状态时，其结构为奥氏体相，可以通过外力进行塑性变形；当形状记忆合金冷却到低温状态时，奥氏体相会转变为马氏体相，此时合金会恢复原来的形状。

形状记忆合金的形状记忆效应主要来源于马氏体相的相变特性。

当形状记忆合金处于低温状态时，施加外力使其发生形变，此时合金内部的马氏体相会发生相变，从而储存了外力作用下的形状信息；当形状记忆合金再次升温到高温状态时，马氏体相再次转变为奥氏体相，合金会恢复储存的形状信息，从而实现形状记忆效应。

形状记忆合金的应用领域非常广泛，主要包括医疗器械、航空航天、汽车制造等领域。

在医疗器械领域，形状记忆合金可以应用于支架、植入物等器械中，利用其形状记忆效应实现精准植入和形状调整；在航空航天领域，形状记忆合金可以应用于航天器的部件制造，利用其超弹性和形状记忆效应提高航天器的可靠性和安全性；在汽车制造领域，形状记忆合金可以应用于汽车零部件的制造，例如车身结构、传动系统等，利用其超弹性和形状记忆效应提高汽车的安全性和舒适性。

总之，形状记忆合金的原理基于固体相变特性，其形状记忆效应来源于马氏体相的相变特性。

形状记忆合金在医疗器械、航空航天、汽车制造等领域具有重要的应用前景，可以为这些领域的发展带来新的突破和进步。

希望通过本文的介绍，能够更好地了解形状记忆合金的原理和应用，为相关领域的研究和应用提供有益的参考。

形状记忆合金材料的研究现状及未来前景

形状记忆合金材料的研究现状及未来前景近年来，形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）由于其独特的形状记忆效应和超弹性性能被广泛关注，并在智能材料、航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。

本文将对形状记忆合金材料的研究现状及未来前景进行探讨。

一、形状记忆合金的定义和性质形状记忆合金是一种可以通过温度、应力等外界作用，实现形状记忆效应和超弹性性能的合金材料。

其最为独特的性质是具有记忆功能，即在特定的外力作用下，可以发生永久形状的改变，然而一旦去掉外力作用，它又能回到原有的形状。

这种记忆效应的发生和消失又称为相变。

此外，形状记忆合金还具有超弹性性能，即在外力作用下能够发生大变形，但当去掉外力后又能恢复到原来的形状，这种性质使它成为一种优良的智能材料。

二、形状记忆合金的研究现状自上世纪50年代以来，随着形状记忆合金的不断发展，人们对其进行了大量的研究。

目前国内外研究的重点主要集中在以下几个方面：1、形状记忆合金的制备与加工形状记忆合金是一种多功能复合材料，由于其自身的记忆和高弹性性能，以及其化学稳定性和防腐能力等，使其成为制造各种机械和电器设备的理想材料。

因此，制备和加工成为了重要的研究方向。

现阶段，形状记忆合金的制备方法主要包括粉末冶金、熔融法、溶液分解-沉淀法等。

其中，粉末冶金是最成熟的制备方法，在制备形状记忆合金时，一般采用惯性摩擦焊、冷轧板等加工成型方式。

2、形状记忆合金的相变机理形状记忆合金的相变机理是产生记忆效应的关键因素。

现阶段，研究相变机理主要有两个方向：一是基于电子和晶体缺陷的相变机理，主要是探讨相变过程中电子和晶体缺陷的变化情况，包括离子扩散、漂移等；另一种是基于热力学的相变机理，主要是以热力学概念来研究SMA的相变。

3、形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用有非常广泛的领域，包括生物医学、航空航天、汽车制造、机械制造、建筑工程等领域。

其中，最具代表性的应用就是在生物医学领域，如心脏支架、口腔矫治器，还有智能材料领域，如智能织物、智能机器人等。

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的片群的总应变几乎为零，这就是
[100]
马氏体相变的自适应现象。
马氏体的自适应形成
由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的方向是不同的。当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已形成的变体周围会形成新的变体，新变体的应变方向与已形成的变体的应变场互相抵消或部分抵消。有均匀体积变化，无明显形状改变。

2、马氏体相变机制马氏体相变是通过切变完成的，其亚结构为孪晶。形状记忆效应要求相变时体积变化小，这样才能降低应变能。形状记忆合金相
(011)
变时围绕母相的一个特定位向常
常形成四种自适应的马氏体变体
[100]
(Variant ），并以母相的惯习面
呈对称排列，这四种变体合称为
马氏体片群
一个马氏体群，如右图所示。
SMA中的孪晶马氏体
Twinned Microstructure
TaRu 孪生组织内的透镜状孪晶
TaRu 孪生组织内的反向畴界具有粗细孪晶 NbRu的典型组织
自适应马氏体
Self-Accommodating Martensite
Cu-Zn形状记忆合金中的自适应马氏体
Ti-48.2Ni1.5Fe合金中R相自适应现象的光镜组织

马氏体相变分为非热弹性马氏体相变（A类）和热弹
性马氏体相变（B类）两类。
非热弹性马氏体
NON-THERMOELASTIC MARTENSITE
热弹性马氏体
THERMOELASTIC MARTENSITE

冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度 Ms 与加热
时马氏体转变为母相的起始温度As之间的温度差称为
五、形状记忆合金的应用(Applications) 六、材料学方面的问题(Problems)

形状记忆是指具有初始形状的制品变形后，通过加热等处理手段又回复初始形状的功能。具有形状记忆功能的材料包括形状记忆合金和形状记忆聚合物。

形状记忆效应最早发现于30年代， 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
止，即热驱动力与弹性能平衡，称之为热弹性平衡. 热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体不一样，通常它
状热形弹貌性的马明氏场体像箭
比母相还软。
冷却
加热
(Thermoelastic Martensitic Transformation)
CuAl14Ni4.2单晶奥氏体基体中的马氏体箭随冷却和加热而生长和退缩(Growth and decay of a martensitic arrow in an austenitic matrix upon cooling and subsequent heating.CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal)
图5.3马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变
•点阵不变平面应变
•固定取向关系
•马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
图5.4马氏体相变的一些临界温度
临界转变温度 ☞马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相，称为冷却相变，用Ms、Mf分别表示马氏体相变开始与终了的温度。 ☞加热时发生马氏体逆变为母相的过程。该逆相变的起始和终止温度分别用As与Af 表示。
图5.5马氏体相变的临界温度
☞一般材料的相变温度滞后（As-Ms）非常大，例如Fe-Ni合金约400℃。各个马氏体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不会随温度降低而再长大。 ☞在记忆合金中，相变滞后比前者小一个数量级，例如Au-47.5%Cd（原子分数）合金的相变滞后仅为15℃。冷却过程中形成的马氏体会随着温度变化而继续长大或收缩，母相与马氏体相的界面随之进行弹性式的推移。
单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图
双向记忆效应
(two-way memory)

具有双向记忆的合金，在一定温度区间，随温度升降，材料将反复变形。
全方位形状记忆效应
另有一种特异的现象，它不仅具有双向形状记忆效应，而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变化规律，即记忆了中间过程
这种在温度循环过程中出现的自发形状变化，其形状变化大于所有可逆形状记忆效应，而且高温形状和低温形状是完全可以倒置的，这种记忆效应称为全方位形状记忆效应（AllRound Shape Memory Effect，缩写为ARSME）。
回到原来的形状。

1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金的形状记忆效应。在一次试验中他们将试验用弯曲的镍-钛合金丝拉直后升温试验时，发现已经被拉直的镍-钛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, 具有良好的形状记忆效应。这引起了人们的重视并开始进行集中研究.
半热弹性马氏体相变合金的形状记忆原理
5.14具有半热弹性马氏体相变合ructure)
母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相
变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构
比较简单，主要是B2和DO3。如果不考虑原子差别，两者都是体心立方。马氏体的晶体结构复杂一些，大多为长周期堆垛。同一母相转
只有将其加热到Af以上，由于热弹性马氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样也就回复到原状。这就是形状记忆的基本原理。
形状记忆合金变化机理示意图
形状记忆效应机理示意图
母相 →冷却→马氏体 →变形→变形马氏体→变形→变形马氏体→加热 → 母相

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，在随后
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，这种
现象称为形状记忆效应(SME)。具有形状记忆效应的合金称形状记忆合金(SMA)。
形状记忆效应
形状记忆效应
形状记忆效应

右图中，A与C、B与D互为孪晶，
当其变形时 , 假设应力方向与 A 的应变方向相近，这时 D、C 就会以孪生方式向 A转变，并以界面的移动合并 B。同样，六个群体也可互相转化，最后 24 个变体可变成一个方位的单晶马氏体，
这就是马氏体再取向过程，当大
部或全部马氏体都采取一个取向
时，便显示出明显的变形。

形状记忆效应与其组织变化有关，这种组织变化就是马氏体相变。形状记忆合金应
具备以下三个条件：

①马氏体相变是热弹性类型的； Cu-Zn形状记忆合金中的马氏体

②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移
产生；

③母相和马氏体相均属有序结构。

1、热弹性马氏体相变 (Thermoelastic Martensitic Transformation) 马氏体相变是无扩散型转变。根据其转变特点可将
全方位形状记忆效应示意图
二、形状记忆效应的机理(Mechanism)
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c. b.c.c
图5.1马氏体相变晶体学模型
定义：替换原子无扩散位移（切变），即原子沿相界面作协作运动），使其形状改变和表面浮凸，呈现不变平面应变特征的一级、形核-长大型的相变。
图5.2马氏体相变示意图
热弹性马氏体相变合金的形状记忆原理
5.13形状记忆效应过程示意图
由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合
金应具备如下条件：
①马氏体相变是热弹性的；
②马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构
为孪晶或位错；
⑦母相和马氏体均为有序点阵结构；
④相变时在晶体学上具有完全可逆性。
☞必须指出的是：近来开发的铁系等少量合金通过非热弹性马氏体相变也可显示形状记忆效应，因此热弹性马氏体并不是具有形状记忆效应的必要条件。 ☞近年来，在陶瓷材料、高分子材料也发现了记忆效应。
A、B类马氏体相变的热滞后

B类转变热滞后非常小，在Ms以下升降温时马氏体数
量减少或增加是通过马氏体片缩小或长大来完成的，母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变是可逆的，逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和以前完全相同的母相。
A、B类马氏体相变的热滞后
Fraction martensite
马氏体变体
Martensite variants
马氏体的再取向
对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外加应力相适应而再取向。即变体的应变方向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相适应的变体而长大，直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转变成一个变体。这时，由母相转变为马氏体所产生的相变应变不再互相抵消，而是沿外加应力方向累积起来，样品显示出宏观形状的变化。卸去应力后，变形保持下来。

如不考虑母相原子区别，形状记忆合金的母相主要是体心立方结构，密排面(即惯习面)为{110}，因此，相变后的马氏体片群有六个，形成24种马氏体变体。当一片马氏体形成时，由于剪切变形，在周围母相中造成了很大的内应力，当在这片马氏体附近形成另一片马氏体变体时，便可抵消单片马氏体
(011)
所产生的切应变，由四种变体组成
(A) (B)
thermal hysteresis

相变时热滞后小，反映了相变驱动力（母相与马氏体相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移动。这种热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相

形状记忆合金(修改)