形状记忆合金课件
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第三章形状记忆合金ppt课件
2020/9/23
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2020/9/23
研究表明，很多合金材料都具有SME， 但只有在形状变化过程中产生较大的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2020/9/23
研究表明，很多合金材料都具有SME， 但只有在形状变化过程中产生较大的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。
第5章-形状记忆合金
5.1 形状记忆原理
5.1.1 热弹性马氏体相变
马氏体相变首先在钢中发现。
钢（碳溶解到γ——铁中形成的固溶体）在高 温时形成奥氏体相，如以极大的冷却速度过冷 到230℃以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩 散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱 和的α固溶体，称为马氏体。
马氏体相变之后在钛、锂等金属，合金 及氧化物晶体中发现。
解决措施：
（1）冷加工：对 该状态的材料进 行 应 变 量 大 于 20 ％的深度加工， 产生高密度位错 提 高 σs( 滑 移 形 变 抗力)，可消除上 述影响。
（2）时效处理使 合金形成稳定析 出物，也可以阻 止滑移形变的进 行，达到稳定相 变温区的目的。
图5-11 Ti-Ni50.6(at)％合金时效处理后的相变热循环 (1273K/3.6ks固溶，673K/3.6ks时效)
（2）形变循环的影响及措施：
形变循环对伪弹性的影响除应力大小外， 与形变方式也有很强的依存关系。
措施：对时效处理材料进行冷加工的综 合处理或“训练”，可以维持更稳定的伪弹 性动作。
过程4：
将变形马氏体加热到As点以上，马氏体 发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低， 转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一 个位向—母相原来的位向。尤其当母相为长 程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群 中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位 向的母相倾向更大。逆转变完成后，便完全 回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢 复。
1. Ti-Ni合金结构
Ti-Ni合金中有三种金属化合物：Ti2Ni，TiNi 和TiNi3，TiNi的高温相是CsCl结构的体心立方晶 体(B2)，低温相是一种复杂的长周期堆垛结构B19， 属单斜晶系。高温相(母相)与马氏体之间的转变温 度(Ms)点随合金成分及其热处理状态而改变。
形状记忆原理及应用PPT课件(2024版)
形状记忆原理及应用
形状记忆合金（shape memory alloy）作为一种新型功能材料已经被广泛使用。该合金可以认为是始于1963年美国海军武器试验室（Naval Ordianace Laboratory）W.J.Buehler博士的研究小组对TiNi合金的研究。他们发现TiNi合金构件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能和温度相关。进一步研究发现，等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应。后来TiNi合金作为商品进入市场，给等原子比的TiNi合金商品取名为NiTinol，后面的三个字母就是该研究室的3个英文单词的第一个字母。目前形状记忆合金已广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等各个领域。 形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马氏体相变有关的形状记忆效应做基础性介绍。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度Ms时开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（Stress-Induced Martensite，简称SIM）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。
形状记忆合金记忆效应机理
大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。
形状记忆合金（shape memory alloy）作为一种新型功能材料已经被广泛使用。该合金可以认为是始于1963年美国海军武器试验室（Naval Ordianace Laboratory）W.J.Buehler博士的研究小组对TiNi合金的研究。他们发现TiNi合金构件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能和温度相关。进一步研究发现，等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应。后来TiNi合金作为商品进入市场，给等原子比的TiNi合金商品取名为NiTinol，后面的三个字母就是该研究室的3个英文单词的第一个字母。目前形状记忆合金已广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等各个领域。 形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马氏体相变有关的形状记忆效应做基础性介绍。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度Ms时开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（Stress-Induced Martensite，简称SIM）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。
形状记忆合金记忆效应机理
大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。
形状记忆合金最新版本ppt课件
普通金属材料
.
形状记忆合金
马氏体相变而呈现形状记忆效应的。马氏体 相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏 体）的转变称为逆转变。形状记忆效应是热 弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高 温相进行可逆转变的结果 。
.
记忆合金应用连接件和紧固件
• 形状记忆合金管接头用相变点
约-150℃的TiNiFe合金制备。
固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。
✓ Af点低于室温的合金用来制造紧固铆钉，尾部形状记忆处 理成开口形状；
✓ 进行紧固操作前，把紧固铆钉浸泡在干冰或液态空气中进 行充分冷却，然后把尾部拉直；
✓ 插入被紧固孔； ✓ 温度回升后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。
(a)开口
(b)拉直
(c)插入
形状记忆紧. 固螺钉
无机非金属材料
.
记忆合金目录
• 一：记忆合金的介绍 • 二：记忆合金的发展 • 三：记忆合金的分类 • 四：记忆合金的原理 • 五：记忆合金的应用
.
形状记忆合金
记忆合金即拥有“记忆”效应的合金，在航 空航天领域内的应用有很多成功的范例。 人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制 作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折 叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫 星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫 星天线因具有“记忆”功能而自然展开， 恢复抛物面形状 。
(d)加热
智能机器人
• 形状记忆合金可制成驱动器、控
制器等应用在智能机器人中。
• 形状记忆驱动器通过适当加热和
控制，可完成往返或旋转运动， 兼之具有感温功能。
• 形状记忆控制机构同传统伺服控
制机构相比，一个形状记忆元件 就可起到传统机构中传感、驱动 和传递三系统功能的作用。
第4章形状记忆合金精品PPT课件
其中，应力－应变关系表现出明显的非线性，这种非线性 弹性和相变密切相关，叫相变伪弹性(Transformation Pseudoelasticity)，也叫超弹性。
2020/10/21
24
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）
2020/10/21
25
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
23
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
2020/10/21
22
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
2020/10/21
37
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。
2020/10/21
2020/10/21
24
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）
2020/10/21
25
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
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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
23
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
2020/10/21
22
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
2020/10/21
37
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。
2020/10/21
精品PPT课件----形状记忆合金94页PPT
精品PPT课件----形状记忆合金
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
Hale Waihona Puke 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
Hale Waihona Puke 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
《形状记忆合金》课件
2
存在的问题
如材料成本、可靠性和循环寿命等方面的挑战来自需要不断研究和改进。3
发展前景
形状记忆合金将在未来的科技进步中发挥重要作用，为我们的生活带来更多便利 和创新。
结语
形状记忆合金的重要性
它不仅是一种材料，更是未来科 技发展的重要组成部分，将引领 我们走向更智能、高效的未来。
发挥形状记忆合金的作用
《形状记忆合金》PPT课 件
欢迎参加本次《形状记忆合金》PPT课件！在这里，我们将探索这项未来科技 的定义、原理、特点，以及其在医疗器械、航天航空、汽车工业等领域中的 应用。
什么是形状记忆合金
形状记忆合金是一种具有记忆效应的材料，可以在受力变形后回复到其原始 形状。它的原理是基于相变的晶体结构变化，拥有独特的特点。
包括熔融法、固相法和合金化 方法等，每种方法都有其适用 场景和优缺点。
制备工艺流程
从原料的选择和预处理到形状 记忆合金的合成和后处理，需 要严谨的工艺流程和控制。
实验室制备实例
展示了形状记忆合金在实验室 中的成功制备实例，为进一步 研究和应用提供了基础。
形状记忆合金的未来发展
1
发展趋势
形状记忆合金将更加智能化和多功能化，结合其他材料和技术创新，应用领域将 不断扩大。
我们需要不断挖掘和应用形状记 忆合金的潜力，创造更多创新性 和实用性的产品和解决方案。
致谢
感谢您参与本次《形状记忆合金》 PPT课件，希望展示的内容能够 给您带来启发和收获。
形状记忆合金的应用
医疗器械
应用于支架、植入物等医疗设备，可提高患者的 治疗效果和舒适度。
汽车工业
在车身和发动机中应用，具有降噪、减振和节能 的优势。
航天航空
6形状记忆合金PPT课件
——这称为热弹性平衡状态。
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 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
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆 功能，并在工业中得到应用
❖ 1975年至1980年左右，双程形状记忆效应、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有 马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变
❖ 1951年，美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中 首次发现该合金具有形状记忆效应
❖ 随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 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
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热弹性马氏体箭状形貌的明场像
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形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
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CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 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
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非热弹性马氏体
热弹性马氏体
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热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆 功能，并在工业中得到应用
❖ 1975年至1980年左右，双程形状记忆效应、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有 马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变
❖ 1951年，美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中 首次发现该合金具有形状记忆效应
❖ 随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 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
形状记忆合金PPT课件
➢ 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；
利用形状记忆元件传感和驱动特 性制造上下自动转换的百叶板。 安装在排气口的形状记忆线圈随 排气温度变化进行收缩或张开， 和另一侧偏动弹簧一起完成双程 动作，自动控制百叶板运动。
经10万次以上的动作后证实，形 状记忆特性没有任何下降。
2021
空调百叶板 35
混水阀
利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室 水管的水温，在热水温度过高时通过“ 记忆”功能，调节或关闭供水管道，避 免烫伤。
2021
31
➢ 应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性 ，即使应变增大，矫正力却增加很少，永久应变 远远小于不锈钢丝，在大变形范围内可持续释放 比其他材料更加恒定的矫正力。
NiTi合金牙齿矫形丝
2021
32
NiTi矫形丝不仅操作简便，而且疗效也好，可减 轻患者的不适感。
1980年，中国就开始研制NiTi合金矫形丝，北京 有色金属研究总院与北京口腔医院合作，研制出 NiTi合金牙弓丝，称为“中国NiTi牙弓丝”。
2021
15
2021
16
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。
4形状记忆合金PPT课件
马氏体相变分三步进行
21
马氏体相变的G-T转变模型
{11}1 //1{1}0a',差1 110 //111a' ，差 2
3
形状记忆效应
❖形状记忆效应:固体材料在发生了塑性变形后， 经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的 形状，这种现象就叫做形状记忆效应。
普通金属材料
形状记忆合金
4
形状记忆效应简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
5
形状记忆效应与马氏体相变
➢形状记亿效应是在马氏体相变中发现的 ➢马氏体相变中的的高温相叫做母相(P)，低温相 叫做马氏体相(M) ➢马氏体正相变、马氏体逆相变。 ➢马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶 体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回 复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在 产生热弹性马氏体相变的合金中。 ➢马氏体相变的临界温度：Ms、Mf、As、Af
形状记忆合金 Shape Memory Alloys
1
形状记忆合金概述
❖ 发展历史 ❖ 基本概念
形状记忆效应及其临界温度 热弹性马氏体相变 马氏体变体与自协作 应力诱发马氏体相变 相变伪弹性(超弹性)
2Hale Waihona Puke 形状记忆合金发展历史❖ 30年代，美国哈佛大学A. B. Greninger等发现CuZn合金在加热与冷却的 过程中，马氏体会随之收缩与长大
15
马氏体相变
❖马氏体相变的热力学持征 ❖马氏体相变机制的几个晶体学经典模型
Bain转变模型 K-S转变模型 西山转变模型 G-T转变模型
16
马氏体相变的热力学持征
❖相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自 于新旧两相的自出能差
❖马氏体相变时需要较大的驱动力。这主要是 由于相转变时的切变过程需要很高的塑性变 形能，用以产生浮凸，产生高密度位错或孪 晶等，同时，为了维持两相的共格，以及因 体积的变化会引起晶格的弹性畸变，导致较 大的能量提高。所以，马氏体相变的的驱动 力主要是为了克服相变时的切变阻力和变形 阻力，包括弹性变形和塑性变形。
21
马氏体相变的G-T转变模型
{11}1 //1{1}0a',差1 110 //111a' ，差 2
3
形状记忆效应
❖形状记忆效应:固体材料在发生了塑性变形后， 经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的 形状，这种现象就叫做形状记忆效应。
普通金属材料
形状记忆合金
4
形状记忆效应简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
5
形状记忆效应与马氏体相变
➢形状记亿效应是在马氏体相变中发现的 ➢马氏体相变中的的高温相叫做母相(P)，低温相 叫做马氏体相(M) ➢马氏体正相变、马氏体逆相变。 ➢马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶 体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回 复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在 产生热弹性马氏体相变的合金中。 ➢马氏体相变的临界温度：Ms、Mf、As、Af
形状记忆合金 Shape Memory Alloys
1
形状记忆合金概述
❖ 发展历史 ❖ 基本概念
形状记忆效应及其临界温度 热弹性马氏体相变 马氏体变体与自协作 应力诱发马氏体相变 相变伪弹性(超弹性)
2Hale Waihona Puke 形状记忆合金发展历史❖ 30年代，美国哈佛大学A. B. Greninger等发现CuZn合金在加热与冷却的 过程中，马氏体会随之收缩与长大
15
马氏体相变
❖马氏体相变的热力学持征 ❖马氏体相变机制的几个晶体学经典模型
Bain转变模型 K-S转变模型 西山转变模型 G-T转变模型
16
马氏体相变的热力学持征
❖相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自 于新旧两相的自出能差
❖马氏体相变时需要较大的驱动力。这主要是 由于相转变时的切变过程需要很高的塑性变 形能，用以产生浮凸，产生高密度位错或孪 晶等，同时，为了维持两相的共格，以及因 体积的变化会引起晶格的弹性畸变，导致较 大的能量提高。所以，马氏体相变的的驱动 力主要是为了克服相变时的切变阻力和变形 阻力，包括弹性变形和塑性变形。
《形状记忆合金》PPT课件
形状记忆合金的用途归纳
<1>汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃 料蒸发气体排出控制阀；<2>电子设备：电子炉灶换 气门的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾 感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、 温泉浴池调理器等；<3>安全器具：过热报警器、火 灾报警器、烟灰缸灭火栓等；<4>医疗方面：人工牙 根、牙齿矫正丝、导线等；<5>生活用品：自动干燥 库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出 口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转 换器、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防 止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼 镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携天线、装饰品等.
形状记忆合金的分类
〔1〕单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢
复变形前的形状,这种只在加热过程中存在记忆效应
某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢 复低温相形状,称为双程记忆效应. 〔3〕全程记忆效应
加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相
形状记忆效应与形状记忆合金
一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性 变形,达到屈服点,就产生塑性变形,应力消除后 留下永久变形.但有些材料,在发生了塑性变形 后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形 状,这种现象叫做形状记忆效应〔SME〕.
具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属 元素组成的合金,称为形状记忆合金〔SMA〕
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.
形状记忆合金的用途〔二〕
第七章 形状记忆合金PPT课件
19
5、形状记忆合金的形状回复机制
• 形状记忆效应通常是合金在母相几乎完全转变为马氏体 的Mf点以下承受形变后发生的。
• 相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征。 在热弹性马氏体相变中形成的24种不同位向的马氏体变 体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正因 为这个原因，在热弹性马氏体逆相变时能够完全地回复 到和相变前一样的母相状态。
2
• 宇宙飞船发射之前，在室温条件 下(Ms)，经过形状记忆处理的 定形的NiTi抛物凸状天线折成直 径小于5cm的球状放入飞船。
• 飞进入太空后，通过加热或利用 太阳能使合金丝升温，当温度高 达77℃(Af)后，被折成球状的 合金丝团就自动完全打开，成为 原先定形的抛物凸状天线。
• 这类应用的开发使状记忆合金材
（4）晶格缺陷与相变可逆性 • 马氏体内一定有晶体缺陷存在。马氏体相变具有可1逆1 性。
• 图2-4
12
13
并不是所有马氏体转变的合金都有形状记忆效应
• 如钢就不显示形状记忆效应。比较一下就可知：
• Fe-30Ni合金的相变滞后温区很宽(As-Ms=400℃)，在冷 却过程中，不断有新的马氏体形成，而且马氏体能在瞬 间达到其最终尺寸；马氏体相变需要在大的驱动力下形 成，即要求的过冷度也大。而且加热时发生的逆相变也
4
图1 σ-ε曲线
一般合金在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除 后变形消失。当应力超过弹性限后，产生塑性变形，在应力卸除 后变形不能完全消除存在残余变形，即不能回复原状。 形状记忆合金则不同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几 到十几的变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上时， 变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应。 若加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生的变形 量无需加热只需卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应5 。
5、形状记忆合金的形状回复机制
• 形状记忆效应通常是合金在母相几乎完全转变为马氏体 的Mf点以下承受形变后发生的。
• 相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征。 在热弹性马氏体相变中形成的24种不同位向的马氏体变 体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正因 为这个原因，在热弹性马氏体逆相变时能够完全地回复 到和相变前一样的母相状态。
2
• 宇宙飞船发射之前，在室温条件 下(Ms)，经过形状记忆处理的 定形的NiTi抛物凸状天线折成直 径小于5cm的球状放入飞船。
• 飞进入太空后，通过加热或利用 太阳能使合金丝升温，当温度高 达77℃(Af)后，被折成球状的 合金丝团就自动完全打开，成为 原先定形的抛物凸状天线。
• 这类应用的开发使状记忆合金材
（4）晶格缺陷与相变可逆性 • 马氏体内一定有晶体缺陷存在。马氏体相变具有可1逆1 性。
• 图2-4
12
13
并不是所有马氏体转变的合金都有形状记忆效应
• 如钢就不显示形状记忆效应。比较一下就可知：
• Fe-30Ni合金的相变滞后温区很宽(As-Ms=400℃)，在冷 却过程中，不断有新的马氏体形成，而且马氏体能在瞬 间达到其最终尺寸；马氏体相变需要在大的驱动力下形 成，即要求的过冷度也大。而且加热时发生的逆相变也
4
图1 σ-ε曲线
一般合金在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除 后变形消失。当应力超过弹性限后，产生塑性变形，在应力卸除 后变形不能完全消除存在残余变形，即不能回复原状。 形状记忆合金则不同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几 到十几的变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上时， 变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应。 若加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生的变形 量无需加热只需卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应5 。
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✓ 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。
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。
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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表2 TiNi合金与CuZnAl合金性能对比
合金类型
TiNi合金
CuZnAl合金
恢复应变
最大8%
最大4%
恢复应力 循环寿命
耐蚀性 加工性
最大400MPa 105(ε=0.02) 107(ε=0.005)
良好
不良
最大200MPa
102(ε=0.02) 103(ε=0.005) 不良，有应力腐蚀破
坏
不太好
温度场可以诱导形状记忆效应，磁场、应力场等 也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。
Magnetic field
图7 传统热诱导形状记忆合金 图8 磁诱导形状记忆合金
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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 。
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。
合金成分
呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系就有10种 以上，如果把相互组合的合金或者添加适当元素的 合金都算在内，则有100种以上。
得到实际应用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基 合金。
其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致 价格昂贵，或者有些只能在单晶状态下使用，不适 于工业生产。
（a）马氏体状态下未变形
（b）马氏体状态下已变形 （c）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复
图11 单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，后 再次放入热水后
图12 双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况
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图13 TiNi合金的全程记忆效应（100℃-室温） 图14 TiNi合金的全程记忆效应（低温-100℃）
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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。
✓ 此方法由于工艺简单而被广泛采用。
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主要内容
形状记忆合金的原理 形状记忆合金的分类 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
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☞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。
✓ 由于在完全退火的软状态下进行加工，有利于合金记住 复杂形状或曲率很小的形状。
☞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。
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。
TiNi合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆 性能最好的合金材料。
✓ TiNi合金强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好，具有 优异的生物相容性
✓ 在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的
形状记忆合金的经济性是一个重要因素。
记忆处理
较易
相当难
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形状记忆效应
形状记忆合金的形状 记忆效应按形状恢复 情况可以分为三类：
单程形状记忆效应 双程形状记忆效应 全程记忆效应
冷却
图10 形状记忆效应的三种形式 (a)单程(b)双程(c)全程
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✓ 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。
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✓ 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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表2 TiNi合金与CuZnAl合金性能对比
合金类型
TiNi合金
CuZnAl合金
恢复应变
最大8%
最大4%
恢复应力 循环寿命
耐蚀性 加工性
最大400MPa 105(ε=0.02) 107(ε=0.005)
良好
不良
最大200MPa
102(ε=0.02) 103(ε=0.005) 不良，有应力腐蚀破
坏
不太好
温度场可以诱导形状记忆效应，磁场、应力场等 也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。
Magnetic field
图7 传统热诱导形状记忆合金 图8 磁诱导形状记忆合金
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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 。
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合金成分
呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系就有10种 以上，如果把相互组合的合金或者添加适当元素的 合金都算在内，则有100种以上。
得到实际应用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基 合金。
其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致 价格昂贵，或者有些只能在单晶状态下使用，不适 于工业生产。
（a）马氏体状态下未变形
（b）马氏体状态下已变形 （c）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复
图11 单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况
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图13 TiNi合金的全程记忆效应（100℃-室温） 图14 TiNi合金的全程记忆效应（低温-100℃）
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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。
✓ 此方法由于工艺简单而被广泛采用。
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主要内容
形状记忆合金的原理 形状记忆合金的分类 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
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☞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。
✓ 由于在完全退火的软状态下进行加工，有利于合金记住 复杂形状或曲率很小的形状。
☞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。
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TiNi合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆 性能最好的合金材料。
✓ TiNi合金强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好，具有 优异的生物相容性
✓ 在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的
形状记忆合金的经济性是一个重要因素。
记忆处理
较易
相当难
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。
形状记忆效应
形状记忆合金的形状 记忆效应按形状恢复 情况可以分为三类：
单程形状记忆效应 双程形状记忆效应 全程记忆效应
冷却
图10 形状记忆效应的三种形式 (a)单程(b)双程(c)全程
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