NiTi形状记忆合金应变传感特性分析
形状记忆合金原理
形状记忆合金原理形状记忆合金是一类具有记忆性能的金属材料，其主要原理是基于相变的特性。
相变是指材料在经历温度或应力变化时发生的结构转变。
形状记忆合金通常由几种金属元素组成，例如镍钛合金（NiTi）和铜铝锌合金（CuAlNi）。
形状记忆合金的记忆性能源于其晶格结构的可逆变化。
当形状记忆合金处于高温相态时，晶格结构会发生变化，并具有较高的韧性和可塑性。
当温度降低到临界温度以下，形状记忆合金将会发生一种相变，晶格结构会从高温相态转变为低温相态。
在低温相态下，形状记忆合金呈现出预先确定的形状。
当应力作用于合金时，合金会发生形状改变，但一旦应力消失，形状记忆合金又会恢复到其原始的形状。
这种自身恢复的能力使形状记忆合金具有很多应用潜力。
形状记忆合金的形状记忆效应主要由两个过程共同作用实现：弹性变形和相变。
弹性变形是指在外力作用下形状记忆合金发生可逆的弹性应变。
具体来说，当外力作用后，合金中的晶格结构发生畸变，但并未达到破坏点，而是在去除外力后通过弹性回复恢复到初始形状。
相变是指合金在温度变化下发生的晶体结构相变。
当外力去除后，合金通过温度的改变实现形状的记忆效应。
当温度回升到一定临界温度时，材料会由低温相态变为高温相态，晶格结构发生改变，形状记忆合金将会失去形状记忆效应。
当温度再次降低时，合金将再次回到低温相态，并恢复原始形状。
形状记忆合金由于其独特的记忆性能，在多个领域得到广泛的应用。
例如，医疗领域中的支架器械和牙套、航空航天领域中的航空零部件以及汽车工业中的发动机零部件等。
形状记忆合金的原理使得这些设备能够适应不同的环境和应力变化，增强了其稳定性和可靠性。
NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展
第 2 期第 60-77 页材料工程Vol.52Feb. 2024Journal of Materials EngineeringNo.2pp.60-77第 52 卷2024 年 2 月NiTi 形状记忆合金的功能特性及其应用发展Functional properties of NiTi shape memory alloys and their application development杨超1*，廖雨欣1，卢海洲1，2，颜安1，蔡潍锶1，李鹏旭1（1 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 510640；2 广东技术师范大学 机电学院， 广州 510665）YANG Chao 1*，LIAO Yuxin 1，LU Haizhou 1，2，YAN An 1，CAI Weisi 1，LI Pengxu 1（1 National Engineering Research Center of Near -Net -Shape Forming forMetallic Materials ，South China University of Technology ，Guangzhou510640，China ；2 School of Mechatronic Engineering ，GuangdongPolytechnic Normal University ，Guangzhou 510665，China ）摘要：NiTi 形状记忆合金（shape memory alloys ， SMAs ）作为一种智能材料，具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性，被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。
其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状，且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。
形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变，根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。
超弹性形状记忆合金丝NiTi力学性能的试验研究
超弹性形状记忆合金丝(NiTi )力学性能的试验研究左晓宝李爱群 倪立峰陈庆福(南京理工大学,东南大学)(东南大学)(江苏法尔胜集团公司)摘要:从土木工程振动控制的角度出发,通过NiT i 形状记忆合金丝处于超弹性状态下的力学性能试验,研究温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律,并给出了各力学性能参数与主要影响它的加载工况之间的关系。
试验和分析结果表明,处于超弹性状态下的形状记忆合金具有良好的耗能阻尼性能、较大的可恢复变形能力和很高的结构驱动能力,可满足土木工程结构振动控制的需要。
关键词:形状记忆合金;智能材料;超弹性;力学性能;振动控制中图分类号:T U31113,P3151976 文献标识码:A 文章编号:10002131X (2004)1220010207AN EXPERIMENTA L STU DY ON THE MECHANICA L BEHAVIOR OF SUPERE LASTIC NiTiSHAPE MEMOR Y A LLOY WIRESZuo Xiaobao1,2 Li Aiqun 2 Ni Lifeng 2 Chen Qingf u3(1.Nanjing University of Science and T echnology ,2.S outheast University ,3.Jiangsu Fasten G roup C om pany )Abstract :An experimental study is com pleted on the mechanical behavior of specimens of superelastic NiT i shape mem ory al 2loy (S M A )wires for vibration control in civil engineering.T em perature ,strain rate ,strain am plitude and cyclic number are considered as test parameters to investigate their effects on the mechanical parameters such as phase trans formation stress ,ener 2gy dissipation ,effective stiffness and residual strain.The relation ship between every mechanical parameter and its correspond 2ing loading factor is proposed.The experimental results show that the characteristics of the superelastic S M A wire ,such as high energy dissipation ,large restoring deformation and high driving force ,are suitable for vibration control in engineering.K eyw ords :shape mem ory alloy ;smart material ;superelasticity ;mechanical behavior ;vibration control收稿日期:2002212223,收到修改稿日期:2004205210国家自然基金重点项目:(50038010)1 引 言结构的振动控制是当今土木工程界关心的重点问题之一,人们总是在探求各种方法来减轻振动给工程结构带来的危害。
niti形状记忆合金热变形行为及变形机理的研究
niti形状记忆合金热变形行为及变形机理的研究Niti形状记忆合金热变形行为及变形机理的研究Niti形状记忆合金（SHM）是一类新型的复合材料，它具有优异的力学性能，包括柔韧性、可恢复性和耐腐蚀性。
由于其独特的物理特性，SHM已被用于许多应用，例如航空、军事等。
在这项研究中，我们将重点关注niti形状记忆合金的热变形行为，以及变形机理。
首先，让我们来看看niti形状记忆合金热变形行为。
通常情况下，当niti形状记忆合金置于高温（大于它的回复温度）时，它会产生塑性变形。
这种塑性变形是由于晶格网络中紧密层间化合物熔融，从而导致镁合金表面上形状的变化。
大多数情况下，niti形状记忆合金对于热变形行为的反应是立即的，并且表现出很高的可恢复性。
接下来，让我们来谈谈niti形状记忆合金变形机理。
首先，Niti形状记忆合金由双金属组成，比如钛(Ti)和镁(Mg)。
在标准温度下，这两种金属结合在一起，形成紧密层间化合物。
当niti形状记忆合金置于温度高于它的回复温度（300摄氏度）时，紧密层间化合物就会熔融，使Niti形状记忆材料易于克服晶格势能，从而实现了热变形。
在变形过程中，Ti和Mg的交换之间的回复势能抵消了扩散的势能。
当温度降低到回复温度时，紧密层间化合物将重新结合，从而使Niti 形状记忆合金恢复原状。
最后，Niti形状记忆合金具有优良的热变形行为，以及变形机理，我们可以将其用于许多应用，例如航空、军事等。
不仅如此，这种特殊合金的力学特性也可以用于控制复杂的结构变形，并且具有良好的耐腐蚀性。
因此，借助有效的研究，我们可以充分发挥Niti形状记忆合金的潜力，为我们提供更多的制造和应用机会。
镍基钛形状记忆合金
镍基钛形状记忆合金
镍基钛形状记忆合金，又称为NiTi合金、Nitinol合金，是一
种具有形状记忆性和超弹性的金属合金。
它主要由镍和钛两种元素组成，其中镍的含量通常为50%至60%。
镍基钛形状记忆合金具有以下特点：
1. 形状记忆性：在适当的温度范围内，该合金可以根据外界温度的变化而恢复其初始形状。
当被加热超过其相变温度时，合金会从形变状态恢复为记忆状态。
2. 超弹性：合金具有非常高的弹性和可塑性，可以在外力作用下发生大幅度的变形，并且在外力解除后能快速恢复原始形状。
3. 耐腐蚀性：镍基钛形状记忆合金具有良好的耐腐蚀性，可以在恶劣环境中长期稳定工作。
4. 高温稳定性：合金在高温环境下依然具有良好的形状记忆性和超弹性，能够承受高温条件下的应力和变形。
由于这些特性，镍基钛形状记忆合金被广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车、电子设备等领域。
在医疗领域中，它可以用于制作支架、支撑器、血管弹簧和矫形器等医疗器械。
在航空航天领域中，它可以用于制作航天器的复合材料、连接件和传感器。
在汽车领域中，它可以应用于车身形状记忆材料、刹车系统和导轨等部件。
在电子设备领域中，它可以制作精密弹簧、连接器和微马达等微型元件。
niti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究
niti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究Niti形状记忆合金（Nitinol）是一种卓越的超弹性合金，具有弹性体、形状记忆效果和可编程特性，是近年来高性能材料开发的重要领域。
Niti形状记忆合金具有优异的物理性能，包括很高的强度、一定的塑性变形等，并有良好的生物相容性，可以大大提高植入材料的表现。
最近，Niti形状记忆合金开始在医疗领域得到广泛应用，包括支架、关节等，以及更为复杂的医疗器械如内窥镜、医疗微机器人等。
Niti形状记忆合金的形状记忆功能是其最重要的特性，它能够从宏观和微观两个层面上实现。
从宏观上看，Niti形状记忆合金具有形状记忆和超弹性功能，可以在热或机械处理的情况下，快速恢复其原有的形状，而不会有任何损坏。
从微观上看，Niti形状记忆合金还具有拉伸或弯曲的“自动变形”功能，能够有效的缓解肌肉、骨骼等的压力，并可有效的促进植入体的恢复。
此外，Niti形状记忆合金还具有优异的生物相容性，可以大大提高植入体的表现。
Niti形状记忆合金可以在人体内部进行编程，可以自动调整记忆合金的形状，从而达到最佳的治疗效果。
另外，Niti 形状记忆合金具有良好的耐腐蚀性能和防腐性能，可以有效阻止医疗器械表面的锈蚀，从而降低院内感染的风险。
Niti形状记忆合金具有优异的弹性和形状记忆功能，并且具有良好的生物相容性，可以应用于各种医疗器械等。
随着科技的发展，Niti形状记忆合金在医疗器械中的应用越来越广泛，为临床提供了更加有效、安全、可靠的医疗服务。
总之，Niti形状记忆合金具有优越的物理性能、良好的生物相容性和较高的耐腐蚀性能，广泛应用于医疗领域，是一种卓越的超弹性材料。
深入研究Niti形状记忆合金的性能、结构及其应用，将有助于推动超弹性材料的技术进步，拓展超弹性材料的应用领域，促进人们健康和生活质量的提高。
镍钛基形状记忆合金管接头
镍钛基形状记忆合金管接头概述镍钛基形状记忆合金（NiTi）是一种具有智能功能的材料，可以通过温度的变化实现形状记忆和超弹性的特性。
在工程领域中，NiTi合金广泛应用于各种设备和构件中，其中包括管接头。
本文将对镍钛基形状记忆合金管接头进行详细介绍，包括工作原理、设计要求、制造工艺以及应用领域等方面。
工作原理形状记忆合金具有两种特殊的状态：奥氏体相和马氏体相。
在低温下，NiTi合金处于马氏体相状态，此时其具有较大的弯曲和形变能力。
当温度升高到临界温度以上时，NiTi合金会自动恢复到奥氏体相状态，并回复到其初始形状。
这一过程称为形状记忆效应。
通过利用这一特性，镍钛基形状记忆合金管接头可以实现自动连接和断开，从而实现各种应用需求。
设计要求1.材料选择在设计镍钛基形状记忆合金管接头时，材料选择是至关重要的一步。
合适的材料需要具备以下特点：具有良好的形状记忆效应、超弹性和耐腐蚀性能。
2.结构设计结构设计需要考虑以下几个方面：接头连接性能、密封性能、承压性能和可靠性。
合适的设计可以保证管道连接牢固、密封可靠并能够承受一定的压力。
3.温度控制由于形状记忆效应依赖于温度的变化，因此需要在设计中考虑温度控制的方式。
常见的方法包括传感器监测和控制系统，确保温度在预定范围内控制，以实现形状变化和记忆效应。
4.可靠性和耐久性接头需要具备良好的可靠性和耐久性，能够承受重复连接和断开的应力，并长时间保持良好的性能。
制造工艺镍钛基形状记忆合金管接头的制造工艺一般包括以下几个步骤：1.材料制备首先需要选择合适的镍钛基形状记忆合金材料，并对其进行加工和处理，确保其具备所需的性能，如形状记忆效应和超弹性。
2.结构设计与加工根据具体应用需求，设计合适的管接头结构，并进行加工。
加工方式可以包括锻造、铸造、切割和焊接等方法，确保接头的形状和尺寸满足设计要求。
3.热处理通过热处理过程，可以改善镍钛基形状记忆合金的性能和晶体结构，提高其形状记忆效应和超弹性。
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。
NITI形状记忆合金
NiTi形状记忆合金
NiTi形状记忆合金特别是近等原子比NiTi合金（48at％～52at％Ni），由于具有优良的形状记忆效应和超弹性、良好的机械性能以及很好的耐腐蚀性和生物相容性，广泛应用于工程领域和生物医学领域。
所谓形状记忆效是指某些呈现马氏体相变的合金所具有的一种奇特的性能，合金处于低温相时变形，加热到临界温度（逆相变点）通过逆相变恢复到原始形状。
超弹性是指合金在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。
由图1可以看出NiTi合金超弹性可分为线性和非线性两类。
非线性超弹性是在一定温度范围内加载与卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果。
图1 NiTi合金力学性能
NiTi记忆合金物理力学特点
强度高、超弹性、耐腐蚀、耐疲劳；
低比重、弹性模量与人骨骼接近；
良好的生物相容性。
表1 NiTi合金典型的物理性能、化学成分及其用途
合金编号相转变温度A f
成分
(原子百分比 at%)
应用场合
1 10~20 °C ~50.7Ni，其余Ti 手机天线
2 0~20°C ~50.9Ni，其余Ti 导丝
3 0~10 °C ~50.77Ni 支架，编织线，细丝
4 20~40 °C ~50.5Ni，其余Ti 人体温度驱动装置，支架，过滤器
5 45~95 °C ~50.0-50.4Ni，其余Ti 驱动器，蠕形弹簧
6 95~115 °C <49.93Ni，其余Ti 驱动器。
镍钛合金是一种形状记忆合金
镍钛合金在医学上的应用材料科学与工程学院08级热处理1班单珺 080102010005一、镍钛合金的发展历史可分为3 个阶段:1、1963 年～1986 年, 开展了初步的基础研究, 包括相变行为、晶体结构、显微组织、力学性能和冶炼加工制备技术等。
20 世纪70 年代初, 美国Raychem 公司成功研制了NiTiFe 航空用液压管路接头和紧固件, 并应用于F14 战斗机中, 成为镍钛合金第一个成功的工业应用实例。
、2、1987 年～1994 年, 深入细致地研究了基础理论, 包括马氏体的三变体自协作形状恢复机制、线性超弹性和非线性超弹性的影响因素等 , 这个阶段是镍钛合金工程的鼎盛时期。
3、1995 年至今, 一些新的镍钛合金加工技术和基础理论问题不断出现, 如镍钛合金的表面改性技术、激光加工技术和脉动疲劳寿命测试等。
二、NiTi合金形状记忆效应的原理和特性所谓"形状记忆效应"是指NiTi合金对它的金相几何形状有“记忆”本领，宏观而言，将一定形状的合金试样，低温塑形形变后，再将试样加热，试样又回复到它原来的形状，同时，产生巨大的回复力，例如横截面积为lcm²的合金棒，相变时产生850Okg的力。
记忆效应分三种:(1)单向记忆:低温金相受力变形，高温金相回到原状。
C2)双向记忆:能记住高温与低温金相，随温度而发生顺、逆性变化。
(3)全程记忆:机理不甚明了，可能是金相中的一种内应力场起了主要作用。
形状记忆效应的应变量依合金的种类而各有所异，约5-20%之间(一般金属小于0.5%),NiTi合金为8%。
形状记忆合金具有“热弹性马氏体型”相变。
NiTi合金为例，高温奥氏体相为体心立方有序晶体结构CaCl型B2晶格，低温马氏体相(M)为单斜畸变结构Bl9晶格，从B→M，存在一个对双程记忆效应起着重要作用的R相变。
在B2=R，R=M和R2=M的顺、逆相变中，母和子相中相邻原子位置不变，只是界面上原子发生协作位移-晶体切变。
NiTi形状记忆合金的超弹性及医学应用研究
NiTi形状记忆合金的超弹性及医学应用研究一、本文概述本文旨在深入探讨NiTi形状记忆合金的超弹性特性及其在医学应用领域的广泛影响。
NiTi，即镍钛合金，以其独特的形状记忆效应和超弹性，在众多工程领域中占据了举足轻重的地位。
尤其在医学领域，NiTi形状记忆合金的应用已逐渐成为研究热点，其在牙科、骨科、心血管科等领域的应用前景广阔。
本文将首先介绍NiTi形状记忆合金的基本特性，包括其形状记忆效应和超弹性的原理及其产生机制。
随后，将重点讨论NiTi合金在医学领域的应用现状，包括其在牙科正畸、骨科植入物、心血管支架等方面的实际应用案例。
本文还将探讨NiTi合金在医学应用中的优势和挑战，以及未来可能的发展方向。
通过对NiTi形状记忆合金超弹性特性的深入研究，以及对其在医学应用领域的系统梳理，本文旨在为相关领域的研究者提供有价值的参考，为推动NiTi合金在医学领域的进一步发展提供理论支持和实践指导。
二、NiTi形状记忆合金的基本性质NiTi形状记忆合金，也被称为镍钛合金，是一种独特的金属合金，其特性源于其独特的晶体结构和相变行为。
NiTi合金由大约50%的镍（Ni）和50%的钛（Ti）组成，其原子比例接近等原子比，这使得它具有非凡的形状记忆效应和超弹性。
形状记忆效应：NiTi合金的形状记忆效应是指合金在经历一定的塑性变形后，通过加热到某一特定温度（即Af温度以上），能够恢复其原始形状的特性。
这种效应源于合金内部发生的可逆马氏体相变。
在低温下，合金处于马氏体相，具有较高的塑性；而在高温下，合金转变为奥氏体相，具有较低的塑性。
当合金在马氏体相下发生塑性变形后，再加热至奥氏体相，合金就能通过相变恢复其原始形状。
超弹性：NiTi合金的超弹性是指合金在受到外力作用时，能够发生大的弹性变形而不产生永久塑性变形的特性。
这种特性使得NiTi 合金在受到外力后，能够迅速恢复到原始状态，具有良好的回复性。
超弹性的产生与合金内部的应力诱发马氏体相变有关。
不同应变率下Ni—Ti形状记忆合金压缩力学行为分析
Ｈｏ ｋｎｏ ｐ ｉｓｎ杆实 验装置 可获得 ｌ２ 以内的应变 率 ， ０／ Ｓ
杆径 为 ５ ｍｍ 的微 型 Ｈｏ ｋｎｏ ｐ ｉｓｎ杆 实验装置 可获得
高 达 １４ 的应变 率 。试样 Ｓ ＡＲ 直径 为 ５ ０Ｉ Ｓ ＭＩ ５ ｍｍ，
长 ５ ｍｍ，为 圆柱 试 样 ，在 杆 径 为 ｌ ． ｍ 的 ２７ ｍ Ｈｏ ｋｎｏ ｐ ｉｓｎ杆实 验装置 中进行试验 ； Ｓ ＡＳ 试 ＭＩ １ ６边 长为 １ 的六面体 试样 ，Ｓ Ｗ １ ． ｍｍ ６ Ｅ 直径为 ｌ ｍｍ， 长 ｌ ｍｍ，为圆柱试 样 ，Ｓ ＡＳ ６和 Ｓ Ｗ １ 在杆 ＭＩ １ Ｅ 均 径为 ５ ｍｍ 的 Ｈ ｐ ｉｓｎ杆实 验装置 中进 行试验 。 ｏ ｋｎｏ
。
目前 ，形 状记忆 合金 已广 泛应用 于工业领 域 ， 包括联 接件 、阻尼 器 、制 动器和 医疗器械 等 。Ｎｉ ｉ — Ｔ 形状记 忆合金 是所有形状 记忆合 金 中应用 最广 的形 状记忆 材料 ，人们 发现 Ｎｉ ｉ — 形状 记忆合 金力学 行 Ｔ
为 了获得 不同应变 率下 Ｎｉ ｉ － 形状 记忆合 金的 Ｔ 压缩力 学行 为 ，采用 两种 杆径 的分离式 Ｈ ｐ ｉｓｎ ｏ ｋｎ ｏ
图 ｌ Ｈｏ ｋｎｏ 为 ｐ ｉｓｎ压杆 系统示 意图 。
合金受力 时温度 、应变率 和应力状 态等外 部因素影
响 引 。
尽管人 们对 Ｎｉ ｉ — 形状 记忆合 金形状记 忆效应 Ｔ
和超弹性 的力学行 为进行 了以上大 量研究 ，但是 到 目前为止仍存 在着许 多问题 ： 方面 ， — ｉ 一 Ｎｉ 形状记 Ｔ 忆 合金对温 度非常 敏感 ，在 不同条 件下 ，变 形热对 变 形过程 的影响研究 还不够 完善 ；另 一方 面 ，在高 应 变率实验 中 ，很难 获得相对 稳定 的应变率 ，材料
Ni-Ti基形状记忆合金的研究与应用
｝名＼｝气＼｝气＼｝‘＼｝｛ｑ，ｉ吧／｝“一综述～Ｎｉ—Ｔｉ基形状记忆合金的研究与应用秦桂红，严彪，殷俊林（同济大学材料科学与工程学院、上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海２０００９２）摘要：Ｎｉ—Ｔｉ合金是一种性能优良的形状记忆材料。
本文主要介绍了它的基本特性、相图和马氏体晶体结构，并简单介绍了Ｎｉ—Ｔｉ—ｃｕ和Ｎｉ—Ｔｉ—Ｎｂ两种具有代表性的Ｎｉ—Ｔｉ基合金，以及Ｎｉ—Ｔｉ基合金在工程和医学中的应用。
关键词：Ｎｉ—Ｔｉ基形状记忆合金；相图；马氏体晶体结构；应用中图分类号：ＴＢｌ４６文献标识码：Ａ文章编号：１００８－１６９０（２００４）０４－－００１２－００５ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＮｉ—ＴｉＢａｓｅｄＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙｓＱＩＮＧｕｉ－ｈｏｎｇ，ＹＡＮＢｉａｏ，ＹＩＮＪｕｎ－ｌｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ舀ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２；ＳｈａｎｇｈａｉＫｅｙＬａｂ．ｏｆＡ＆ＤｏｆＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭｅｔａｌｌｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｉ—Ｔｉａｌｌｏｙｉｓａｋｉｎｄｏｆｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｐｈａｓｅｄｉａｇｒａｍａｎｄｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＮｉ—Ｔｉａｌｌｏｙ．Ｎｉ－Ｔｉ－ＣｕａｎｄＮｉ—Ｔｉ—ＮｂａｌｌｏｙｓａｓｔｙｐｉｃａｌＮｉ—ＴｉａｌｌｏｙａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＮｉ—Ｔｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓｔｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｍｅｄｉｃａｌｆｉｅｌｄｈａｖｅｂｅｅｎｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＫｅｙＷｏｒｋｓ：Ｎｉ－Ｔｉｂａｓｅｄｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｈｏｙ；ｐｈａｓｅｄｉａｇｒａｍ；ｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ１前言Ｎｉ—Ｔｉ形状记忆合金是６０年代发展起来的一种新型功能材料，它也是所有记亿合金中记忆性能最好、最稳定、发展最早、研究最全面的合金，即使是多晶合金也具有８％的超弹性，而回复应力可达５００ＭＰａ。
niti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究
niti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究iti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究为标题，本文将就niti形状记忆合金的特性及其在医学领域的应用作一介绍。
niti形状记忆合金，简称niti SMAs，是一种耐腐蚀耐高温的高弹性合金，是在合金中添加大量活性元素以达到高弹性和高耐腐蚀的成分。
niti SMA具有优异的力学性能，包括高弹性、高强度、高硬度和优良的抗腐蚀性等，广泛用于航天、医疗、汽车、机械等行业。
与普通材料不同，niti SMAs只需微量的力量就可以达到超弹性运动，具有很强的应变能力。
niti形状记忆合金是以优异的力学性能和超弹性运动而成为当前最主要的材料之一，在医学院校中备受关注。
niti形状记忆合金目前在医学领域的应用主要有两个方面：一是用于支撑器械，比如可以用来制作矫形器、矫形鞋等；二是作为植入体，比如制作听力改善器、矫正器等。
niti形状记忆合金在医学领域的应用也有很多，比如可以用来制作外科器械，包括机械手术钳、脊柱外科手术钳、微型外科手术钳等；可以用来制作医疗仪器，比如用于诊断心脏病的心电图和肺部疾病的肺波图仪等；甚至可以用来制作体外体积检测仪器。
此外，niti 形状记忆合金还可以用于人体植入，如制作生物植入材料、平移螺钉等。
不仅如此，niti形状记忆合金在医学领域的应用也越来越广泛。
近年来，随着niti形状记忆合金的性能持续改善，它不再仅仅被用于植入、外科器械及医疗仪器等常用应用，而是被广泛用于植入式医学机器人及自动化植入器等高科技的医疗产品中。
为了深入研究niti 形状记忆合金的性能，许多学者研究了它的力学特性、可控性、组织及表面特性等等。
综上所述，niti形状记忆合金是一种可用于植入和外科器械制造的高弹性合金，它具有优异的力学性能，如高弹性、高硬度、高强度、优良的抗腐蚀性等，可以用于支撑器械和植入体，如制作矫形器、矫形鞋、听力改善器、矫正器，以及外科器械、仪器和植入体等。
NiTi形状记忆合金的性能及应用
NiTi形状记忆合金的性能及应用(**************************************)摘要：本文主要介绍了NiTi形状记忆合金的性能，如形状记忆效应、超弹性效应、生物相容性、耐磨性、阻尼性等。
再举例简要介绍它在工程领域、医学领域方面的应用，并对以后的发展方向做了展望。
关键字：形状记忆性能；应用Properties and Application of NiTiShape Memory AlloysAbstract：The essay is mainly introduce the shape memory effects，such as super-elasticity effect，temperature memory effect，biological compatibility , resistance to wear and damping of NiTi shape memory alloys (SMA)，et al . And then talk about the applications of NiTi shape memory alloy in engineering field ，medical field . The development direction of the study field was forecasted．Key words : shape memory effect ; application引言形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA) 是一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种能力被称为形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME) 。
实际上，很多材料都具有SME，但能够产生较大回复应变和形状回复力的，只有少数的几种材料，如：Ni-Ti合金和铜基合金(CuZnAl和CuAlNi)，铁基合金应用最广泛。
niti基形状记忆合金加工工艺研究的现状和发展趋势
尼钛基形状记忆合金（Nitinol）是一种具有形状记忆和超弹性特性的金属材料，由镍和钛组成。
它能够在经历形状变化后恢复其原始形状，并且具有良好的机械性能和耐腐蚀性能。
由于其独特的性能，尼钛基形状记忆合金在许多领域具有广泛的应用潜力，例如医疗器械、航空航天、汽车工业等。
目前，尼钛基形状记忆合金加工工艺的研究已经取得了一些重要进展。
以下是该领域的一些现状和发展趋势：1. 加工方法和工艺优化：为了满足不同应用场景的需求，研究人员一直在探索和优化尼钛基形状记忆合金的加工方法和工艺。
传统的热处理方法如回火、时效等被广泛应用，同时也涌现出了一些新的加工方法，如激光加工、电子束加工等，以提高加工效率和产品质量。
2. 材料微观结构与性能关系的研究：尼钛基形状记忆合金的性能与其微观结构密切相关。
研究人员致力于深入理解材料的晶体结构、相变行为和相互作用规律，以实现对材料力学性能、形状记忆特性和超弹性特性的精确控制。
3. 新型材料设计与合成：为了进一步拓展尼钛基形状记忆合金的应用领域和提高其性能，研究人员正在开发新型合金体系和改进合金配方。
例如，引入其他合金元素、调节合金比例和微量添加剂等手段，可以改善材料的力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性等。
4. 多功能复合材料的应用：尼钛基形状记忆合金与其他材料的复合应用也是一个研究热点。
通过与聚合物、陶瓷等材料的复合，可以实现尼钛基形状记忆合金的功能多样化，如光学、电磁和生物医学等方面的功能。
未来，尼钛基形状记忆合金加工工艺的发展趋势可能包括以下几个方面：1. 精确控制材料性能：通过深入研究尼钛基形状记忆合金的微观结构和物理机制，进一步提高材料的力学性能和耐腐蚀性能，并实现对形状记忆和超弹性特性的精确控制。
2. 新材料的发展：引入新的合金体系、添加剂和复合材料等，以改善尼钛基形状记忆合金的性能和功能。
例如，开发更高强度、更耐腐蚀或具有特殊功能的新型合金材料。
3. 加工工艺的创新：继续改进现有的加工方法和工艺，提高加工效率和产品质量。
外科植入物 镍钛形状记忆合金 标准
外科植入物镍钛形状记忆合金标准外科植入物是一种被植入人体用于恢复、替代或增强功能的医疗器械。
其中，镍钛形状记忆合金是一种广泛应用于外科植入物制造的材料。
本文将从镍钛形状记忆合金的特性、制造工艺、外科应用和潜在的发展方向等方面来详细介绍。
镍钛形状记忆合金，通常简称为NiTi合金，由镍和钛两种金属元素组成，具有一种独特的性能，即具备形状记忆和超弹性。
形状记忆效应是指材料在经历变形后，可以通过热回复到原始形态。
超弹性则是指材料可以经受巨大应力变形，但在去除应力后能够完全恢复原始形态，而不产生永久性变形。
这些特性使得镍钛形状记忆合金成为一种理想的外科植入材料。
制造镍钛形状记忆合金的一种常用方法是通过真空熔炼和热处理。
首先，将合适比例的镍和钛加热至高温熔化并在真空环境中进行合金化处理。
然后，通过控制冷却速率和固溶温度等参数，形成合金的晶体结构和形状记忆特性。
最后，利用机械加工或电火花加工等工艺对合金进行加工，制成不同型号和尺寸的外科植入物。
镍钛形状记忆合金在外科植入物中的应用非常广泛。
其中，最常见的应用是在心血管领域。
镍钛支架作为一种生物相容材料，被用于支持病变血管，恢复血流通畅，预防血管再狭窄。
此外，镍钛导丝和镍钛片等也常被用于心脏手术中的修复和替代甚至在牙科领域用作牙齿矫正器具。
除了心血管领域，镍钛形状记忆合金还被广泛运用于骨科植入物。
例如，镍钛合金螺钉和板材可用于骨折修复，镍钛形状记忆合金也可以制成人工关节，用于关节置换手术。
此外，镍钛形状记忆合金的高弹性特性还可以用于牵引矫形术中，纠正脊柱畸形。
尽管镍钛形状记忆合金在外科植入物中具备许多优点，例如生物相容性、可形状记忆性和超弹性，但是还有一些潜在的发展方向可以进一步提高其性能。
首先，改善合金材料的耐蚀性，以满足长期体内植入的要求。
其次，研发更具定制化的材料，以适应不同患者的需求。
此外，也可以研究镍钛形状记忆合金与其他材料的复合应用，以获得更好的性能和效果。
niti形状记忆合金的dsc曲线
niti形状记忆合金的dsc曲线DSC曲线是测量材料热性质的一种实验手段，该曲线可以得知材料的熔点、结晶温度、玻璃转变温度、固-固相变温度等重要参数。
本文将探讨形状记忆合金中的DSC曲线，解释其特点、应用和意义。
形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一类特殊的金属材料，具有特殊的性能和应用潜力。
其最显著的特点是可以通过加热或应力来触发固-固相变，从而使其恢复到其原始形状。
这种形状记忆行为是由于合金中存在一种称为“相变组织”的特殊结构导致的。
形状记忆合金广泛应用于航空航天、汽车、医疗和机械等领域。
DSC（Differential Scanning Calorimetry）是一种常用的热分析技术，在研究形状记忆合金中的相变行为时发挥着重要作用。
DSC曲线可以提供关于材料的热过程信息，如熔化、晶化、玻璃转变和固-固相变等。
DSC仪器主要由两个独立的加热元件组成，一个是样品盒，另一个是参考盒。
通过控制样品盒和参考盒的温度差，并测量样品与参考之间吸收或释放的热量，可以绘制DSC曲线。
形状记忆合金的DSC曲线通常呈现出多个特征峰，每个特征峰对应着一个热过程。
第一个特征峰就是材料的熔化峰，它对应着材料的熔化温度。
在此之后，DSC曲线还会显示出晶体化峰，对应着固态中的晶体重结晶过程。
此外，还可能出现玻璃化转变峰，代表了材料的玻璃过渡行为。
当形状记忆合金发生固-固相变时，DSC曲线会有一个或多个特征峰出现。
形状记忆合金中的DSC曲线可以是单峰、双峰或多峰的。
单峰曲线通常对应着材料的单一相变行为，如熔化峰或晶化峰。
而双峰或多峰曲线则表示材料具有多个相变峰，可能是材料中存在不同的晶体结构导致的，或者是由于传热速率不同而引起的。
形状记忆合金的DSC曲线对于理解材料的相变行为至关重要。
通过分析DSC曲线，可以确定材料的熔点、结晶温度、玻璃转变温度和固-固相变温度，进而研究材料的热力学特性和相变动力学过程。
TiNi形状记忆合金的力传感特性及其机理研究
TiNi形状记忆合金的力传感特性及其机理研究
姚兴田;周一丹;邱自学
【期刊名称】《机械工程材料》
【年(卷),期】2002(026)003
【摘要】测试了不同初始组织状态TiNi SMA丝材恒温拉伸过程中的电阻-应力-应变关系,分析了力学及电阻特性的变化机理,得出了马氏体(M)态及奥氏体(A)态TiNi形状记忆合金(SMA)具有力传感,性能的结论,为构建TiNi SMA传感元件的智能材料结构提供了理论依据.
【总页数】3页(P35-37)
【作者】姚兴田;周一丹;邱自学
【作者单位】南通工学院机械工程系,江苏南通,226007;南通工学院机械工程系,江苏南通,226007;南通工学院机械工程系,江苏南通,226007
【正文语种】中文
【中图分类】TB381
【相关文献】
1.硅基双环谐振腔力敏传感特性实验研究 [J], 张伟;唐军;刘建华;薛晨阳;刘丽双
2.Si基双环谐振腔力敏传感特性研究 [J], 焦克莹
3.TiNi形状记忆合金回复力模型 [J], 郑雁军;崔立山;杨大智
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5.一种柔性电容传感器的压力传感特性及其机理研究 [J], 李雪萍;杨晓锋;卿新林
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niti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究
niti形状记忆合金的超弹性及医学应用研究近半个世纪来，Niti形状记忆合金（Nitinol）一直深受广泛关注，它有着无与伦比的超弹性和其他特性，一直被认为可以用于医学、石油和化学、给排水和污水处理、飞机及航空航天等。
Niti形状记忆合金有着弹性极高的加工性和可回复性，可以被加工成任意形状，并且在暴露于触发剂（温度或电流）时，可以被完全回复到原始形状。
Niti形状记忆合金也可以结合外部装置，如电机、传感器、手动控制器等，这使得Niti形状记忆合金具有更强大的应用前景。
Niti形状记忆合金是一种包含钛和镍金属的合金，它具有较高的强度、良好的超弹性和可塑性，这使得它成为最受实验室探究和应用研究的合金之一。
Niti形状记忆合金的研究和应用始于1960年代，到现在也已经有大量的研究和应用。
Niti形状记忆合金的超弹性性能在实验室研究中有着显著的优势，可以在一定的温度范围内实现自由形状变化。
Niti形状记忆合金具有抗腐蚀、耐磨等优良性能，它的应用领域十分广泛，在医疗、电子、气动和机械领域都有着广泛应用。
由于Niti形状记忆合金具有较强的弹性和耐腐蚀性，所以它被用于制作一些医疗设备，比如医疗器械和植入物，用于软组织修复、外科植入物、内科植入物等。
由于Niti形状记忆合金具有弹性稳定性，它可以有效保护软组织，并且可以在较少的外力作用下实现自由形状变化，从而保证组织的无创性修复。
此外，Niti形状记忆合金还被广泛应用于气动和机械领域。
由于其具有稳定的弹性和可回复性，它可以用于制造管道、弹性元件等机械设备，用于替换传统设备以提高性能和节能。
总的来说，Niti形状记忆合金具有良好的超弹性和可回复性，可以用于制造医疗器械，从而为软组织修复提供更有效的支持；它可以被用于制造气动和机械设备，以提高设备的性能和节能。
Niti形状记忆合金的研究及应用也在不断升级改进，它的未来发展前景也十分广阔。
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第41卷第11期2009年11月哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol.41No.11Nov.2009NiTi 形状记忆合金应变传感特性分析崔迪1，2，李宏男2，宋钢兵2（1.大连大学辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，大连116622，cuidip@ ；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连116024）摘要：阐述了形状记忆合金丝的应变传感原理.在Brinson 建立的形状记忆合金一维本构模型的基础上，引入Ikuta 提出的电阻率与马氏体百分含量之间的关系并对其进行简化，建立了形状记忆合金应变传感特性的理论分析模型.分析了不同温度条件、不同初始状态的形状记忆合金电阻相对变化率与应变之间的关系.并与已有试验结果进行比较，验证了该模型的有效性.结果表明，形状记忆合金可以作为应变传感元件使用，温度对形状记忆合金的传感特性有影响，设计时要根据使用温度来确定形状记忆合金的相变温度.关键词：形状记忆合金；电阻率；应变传感；本构关系中图分类号：TU311；TB381文献标识码：A文章编号：0367－6234（2009）11－0178－04Strain sensing properties of shape memory alloyCUI Di 1，2，LI Hong-nan 2，SONG Gang-bing 2（1.Key Laboratory for Prediction and Control on Complicated Structure System of the Liaoning Province ，Dalian University ，Dalian 116622，China cuidip@ ；2.The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China ）Abstract ：The strain sensing principle of shape memory alloy （SMA ）is analyzed in this paper.Based on the combination of the relationship between electrical resistivity and martensite fraction of SMA proposed by Ikuta and the one-dimensional constitutive model developed by Brinson ，an analytical model of the relative variation of resistance versus the strain is developed.This model can be used under different initial conditions at differ-ent temperatures.And the validity of this model is verified by comparing the simulation results with the exist-ing experimental results.It is indicated that an SMA wire can be utilized as a sensing element.The tempera-ture has an effect on the sensing characteristics and should be isolated.Key words ：shape memory alloy ；electrical resistivity ；strain sensor ；constitutive relationship 收稿日期：2006－07－11.基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（50025823）；海外青年学者研究基金资助项目（50328807）.作者简介：崔迪（1978—），女，讲师.目前，主要的智能传感元件有光纤和压电材料等.光纤传感器具有体积小、灵敏度高、耐疲劳、抗电磁干扰、传输频带较宽、使用期限内维护费用低以及能够实现分布或准分布式测量等优点.但组成光纤的材料自身抗剪能力很差，易断.而且光纤的检测和数据处理系统复杂、成本高.压电传感器具有成本低、响应快、结构简单、可靠性好等优点，不仅能够灵敏地检测到损伤的产生，还能够定位损伤并表征损伤程度.缺点是需要解决受电磁干扰的影响，且在实际工程应用中需要增加许多附属设备［1］.近年来，随着对形状记忆合金各种性能研究的深入，将形状记忆合金作为传感元件己得到广大学者的重视.由于形状记忆合金在发生相变时，其刚度、电阻、内摩擦、声波发生数等均发生变化，可将这些物理性质的变化作为检测材料损伤的信息源［2］.此外，SMA 具有较大的电阻率，良好的变形性能、耐腐蚀性和抗疲劳性能等优点，因此，形状记忆合金可以作为传感元件.目前，国内外已有很多学者在这方面开展了试验研究，主要是测量形状记忆合金的电阻相对变化与应变之间的关系［3－10］，结果表明，SMA 的电阻相对变化和应变之间的关系可近似认为呈线性关系.本文将Ikuta ［11］等建立的电阻率与马氏体百分含量之间的关系引入到Brinson 一维本构模型中，从理论上分析了NiTi SMA 作为传感元件时，在不同温度、不同初始状态条件下的应变传感特性.与已有实验结果比较可知，理论分析结果与试验结果的得出的结论是一致的.1SMA 丝的应变传感原理与普通的金属电阻丝传感原理相似，由物理学可知，SMA 丝的电阻R 与长度L 和截面积A 有如下式关系：R =ρL /A.（1）设变形后其长度变化为ΔL ，如图1所示，则电阻相对变化可由式（1）取全微分，化简后得d R=d ρ+d L －d A.（2）ＰＰ图1SMA 丝的应变传感器原理式中：d A A =2d D D =－2νd L L=－2νε（ν为SMA 丝泊松比）.（3）将式（3）代入式（2），得d R R =d ρρ+（1+2ν）ε.（4）由式（4）可以看出，SMA 丝的电阻相对变化是由两方面的因素决定的.一是由SMA 丝受力后产生的应变引起的；另一个是SMA 丝受力过程中电阻率的相对变化引起的.对于一般的金属材料而言，电阻率的相对变化较小，有时可以忽略不计.而对于SMA 来说，当它发生相变时，材料的电阻率也会随之发生改变，因此电阻率的相对变化这一项不能忽略.2Brinson 提出的SMA 一维本构模型［12］Brinson 在Tanaka 和Liang －Rogers 两种模型的基础上，将SMA 中马氏体分为温度诱发马氏体和应力诱发马氏体两部分，即SMA 的马氏体百分含量ξ=ξT +ξS ，其中ξT 表示温度诱发马氏体百分含量，ξS 表示应力诱发马氏体百分含量.这样，SMA 的本构关系可表示为d σ=D d ε+ΩS d ξS +ΩT d ξT +Θd T.写成全量形式，即为σ－σ0=D （ε－ε0）+ΩS （ξS －ξS 0）+ΩT （ξT －ξT 0）+Θ（T －T 0）.式中：D 、Ω、Θ都是应变ε、马氏体百分含量ξ和温度T 的函数，由于Θ的值很小，研究中可将它视为常数，经推导可知ΩT ≡0，因此有σ－σ0=D （ξ）ε－D （ξ0）ε0+Ω（ξ）ξS －Ω（ξ0）ξS 0+Θ（T －T 0）.式中，σ为第二类Piola-Kirchhoff 应力；ε为Green 应变；D 为SMA 的弹性模量；Ω为SMA 的相变张量；Θ为SMA 的热弹性张量；T 为温度，下标“0”表示初始状态.3NiTi SMA 丝的电阻率与马氏体百分含量之间的关系由上面的分析可知，式（4）中d ρ/ρ一项是不能忽略的，它与材料轴向所受的应力有关，而SMA 的应力又与马氏体百分含量、相变温度和应变等因素有关.通过Brinson 建立的SMA 一维本构模型可以得到应力与应变、马氏体百分含量、相变温度之间的关系.但关键的问题是怎样把电阻率和这几个变量之间的关系建立起来.一般来说，NiTi SMA 具有三相：马氏体相、奥氏体相和R 相.设各相体积百分含量分别为ξM 、ξA 、ξR ；电阻率分别为ρM 、ρA 、ρR .且ξM +ξA +ξR =1.Ikuta ［11］认为SMA 的电阻率与各相电阻率之间存在着下述的线形求和关系，即ρ=ρM ξM +ρA ξA +ρR ξR .（5）式中：ρM =C M1T +C M2，ρA =C A1T +C A2，ρR =C R2{.（6）通过已有研究可知，R 相的存在可使SMA 的电阻相对变化与应变之间变得非常复杂［3］.因此，在设计传感元件时，所使用的NiTi SMA 材料最好没有R 相，这在材料加工过程中是可以做到的.本文对式（5）和（6）进行简化处理，认为SMA 只含有马氏体相和奥氏体相两相，即ξM +ξA =1.可得ρ=ρM ξM +ρA ξA .（7）式中：ρM =C M1T +C M2，ρA=C A1T +C A2{.（8）将式（7）和式（8）与Brinson 建立的一维本构模型结合起来，从而得到SMA 的电阻相对变化与应变（ΔR /R ε）之间的关系.其中，ξM 就是Brinson 模型中的ξ.4NiTi SMA 丝的应变传感特性分析4.1计算工况计算参数见参考文献［11］（电阻率相关参·971·第11期崔迪，等：NiTi 形状记忆合金应变传感特性分析数）和参考文献［13］（相变温度及力学特性参数）.根据SMA 丝的相变温度，分别计算它在5、12、15、25、40、45、60ħ时的ΔR /R ε之间的关系.表1给出了上述温度条件下SMA 的温度历史及对应的初始状态.表1计算工况温度/ħSMA 的温度历史/ħ对应的初始状态SMA 的温度历史/ħ对应的初始状态5121525404560/－10→12－10→15－10→25－10→40－10→45/M M M M M +A M +A //80→1280→1580→2580→4080→45//A +M A +M A A A A4.2计算结果及分析计算过程中不考虑温度引起的SMA 的体积变化.温度引起的电阻相对变化，可用一根与受力SMA 丝相同的不受力的SMA 丝进行温度补偿.4.2.1初始状态为完全奥氏体相的NiTi SMA 在不同温度条件下的应变传感特性比较图2给出了NiTi SMA 的初始状态为完全马氏体相状态（5、12、15、25ħ）时的应力－应变（σ ε）关系和ΔR /R ε关系.由图可知，当SMA 处于完全马氏体相状态时，加卸载时ΔR /R 0与ε之间均呈线性关系，且卸载时的ΔR /R ε曲线与加载时的完全重合；ΔR /R 0的大小不受温度影响.从计算公式分析，当SMA 的初始状态为完全马氏体相时，ξA =0.式（7）变为ρ=ρM ξM ，可见SMA 的电阻率完全由马氏体百分含量ξM 来决定.当温度不超过A s 时，尽管应力可以引起马氏体的去孪晶过程，但是马氏体百分含量的总数是不变的，始终为1.因此，Δρ/ρ=0，SMA 的电阻相对变化就只与应变有关，从而得出上述的计算结果.．０５．１０．１５应变ΔＲ／Ｒ０应力／ＭＰａ图2SMA 初始状态为马氏体相时NiTi SMA 的应力－应变关系及电阻相对变化－应变关系4.2.2初始状态为完全的奥氏体相的NiTi SMA在不同温度条件下的应变传感特性比较图3给出了NiTi SMA 的初始状态为完全奥氏体相（25、40、45、60ħ）时的σ ε关系和ΔR /R ε之间的关系.由图可知，当SMA 处于完全奥氏体相状态时，加卸载时ΔR /R 0与ε之间均呈分段线性关系，且各段直线的连接处同σ ε曲线的转折点相对应；卸载时ΔR /R ε的曲线与加载时的不重合；随着温度的升高，ΔR /R 0逐渐减小.从计算公式来分析上述结果，当SMA 的初始状态为完全的奥氏体相状态时，ξM =0.随着应力的增大，当应力超过应力诱发马氏体临界应力时，SMA 内部会产生应力诱发马氏体，即ξM 逐渐增加.SMA 在马氏体相的电阻率要大于奥氏体相的电阻率，因此Δρ/ρ也逐渐增大，因此ΔR /R ε曲线在应力诱发马氏体阶段的斜率大于奥氏体弹性阶段的斜率.ΔR /R ε曲线呈分段线形也是由于材料内部马氏体百分含量的不断变化引起的.应变．０５．１０．１５．２０．２５ΔＲ／Ｒ０应力／ＭＰａ４图3初始状态为奥氏体相时NiTi SMA 的应力－应变关系及电阻相对变化－应变关系4.2.3不同初始状态的NiTi SMA 在相同温度条件下的应变传感特性比较图4给出了相同温度条件下，不同初始状态的NiTi SMA 的σ ε关系和ΔR /R ε关系.图4（a ）中，SMA 所处的温度都为25ħ，但初始状态分别为奥氏体相和马氏体相.从图中可以看出，奥氏体相SMA 的ΔR /R 0大于马氏体相SMA 的ΔR /R 0.图4（b ）和图4（c ）分别给出了SMA 的初始状态为马氏体相和两相混合（12、15ħ）以及奥氏体相和两相混合（40、45ħ）情况下的计算结果.综合分析这两幅图，可以得出以下的结论：当SMA 的初始状态为两相混合时，加卸载时ΔR /R 0与ε之间均呈分段线性关系；且卸载时的ΔR /R ε曲线与加载时的不重合；随着温度的升高，ΔR /R 0逐渐增大.5计算模型有效性的验证由于试验条件限制，本文未进行SMA 电阻相对变化与应变关系的试验研究.为了验证本文提出的计算模型的有效性，将计算结果与文献［9－10］试验研究结果进行对比分析.可以看出，数值计算结果与试验结果的ΔR /R ε曲线的趋势基·081·哈尔滨工业大学学报第41卷应变０５１０１５２０２５ΔＲ／Ｒ０应力／ＭＰａ０５１０１５２０２５ΔＲ／Ｒ０应力／ＭＰａ应变应变０５１０１５２０２５ΔＲ／Ｒ０应力／ＭＰａ（１）１２ħ（２）１５ħ（ａ应变０５１０１５２０２５ΔＲ／Ｒ０应力／ＭＰａ４（1）40ħ．０５．１０．１５．２０．２５ΔＲ／Ｒ０应变应力／ＭＰａ４（2）45ħ（c）两相混合图4不同初始状态的NiTi SMA在相同温度条件下的应力－应变关系及电阻相对变化－应变关系本相同，在数值大小上略有差异.这说明采用本文的计算模型来分析SMA的应变传感特性是有效的.计算值和试验值之间的差异主要是由于计算所使用的参数与实际试验中的参数并不相同而引起的.6结论1）奥氏体相NiTi SMA的ΔR/R随ε的变化值最大，其次是两相混合NiTi SMA，马氏体相Ni-Ti SMA的ΔR/R随ε的变化值最小.2）由于马氏体相NiTi SMA的ΔR/R与ε之间呈线性关系，因此，建议采用马氏体相NiTiSMA作为SMA丝传感元件的材料.3）由于温度对SMA丝的应变传感特性有影响，因此，设计SMA丝传感元件时应根据使用条件来确定SMA的相变温度.参考文献：［1］李宏男.结构健康监测［M］.大连：大连理工大学出版社，2004.［2］姜平，邱自学，周一丹.SMA传感特性及其信号处理［J］.电子测量与仪器学报，2002，16（4）：60－63.［3］WU X D，FAN Y Z，WU J S.A study on the variationsof the electrical resistance for NiTi shape memory alloywires during the thermo-mechanical loading［J］.Mate-rials and design，2000，21（6）：511－515.［4］FAULKNER M G，AMARIRAJ J J，BHATTACHARYYAA.Experimental determination of thermal and electricalproperties of Ni－Ti shape memory wires［J］.Smart mate-rials and structures，2000（9）：632－639.［5］AIZAWA S，KAKIZAWA T，HIGASINO M.Case stud-ies of smart materials for civil structures［J］.Smart ma-terials and structures，1998（7）：617－626.［6］GONZALEZA C H，DE QUADROSA N F，DE ARAUᶄJOBC J，et al.Coupled stress-strain and electrical resistivitymeasurements on copper based shape memory single crys-tals［J］.Material research，2004，7（2）：305－311.［7］UCHIL J，MOHANCHANDRA K P，KUMARA K G，et al.Study of critical dependence of stable phases in Nitinol onheat treatment using electrical resistivity probe［J］.Materi-als Science and Engineering，1998，A251（1）：58－63.［8］朱玉田，萩元一郎，毛利泰裕.形状记忆合金智能复合材料自修复中传感与控制方法研究［J］.机械工程学报，2005，41（3）：221－225.［9］LI H，MAO C X，OU J P.Strain self-sensing property andstrain rate dependent constitutive model of austenitic shapememory alloy：experiment and theory［J］.Journal of mate-rials in civil engineering，2005，17（6）：676－685.［10］NAGAI H，OISHI R.Shape memory alloys as strainsensors in composites［J］.Smart materials and struc-tures，2006（15）：493－498.［11］IKUTA K，MASAHIRO T，HIROSE S.Mathematicalmodel and experimental verification of shape memory al-loy for designing micro actuator［C］//Proceedings-IEEE Micro Electro Mechanical Systems.Nara，Japan：［s.n.］，1991：103－108.［12］BRINSON L C.One dimensional constitutive behavior ofshape memory alloys：thermomechanical derivation withnon-constant material functions［J］.Journal of IntelligentMaterial Systems and Structure，1993（4）：229－242.［13］LIANG C，ROGERS C A.One-dimensional thermome-chanical constitutive relations for shape memory materi-als［J］.Journal of Intelligent Material Systems andStructure，1990（1）：207－234.（编辑杨波）·181·第11期崔迪，等：NiTi形状记忆合金应变传感特性分析。