形状记忆合金
形状记忆合金
• Ti-Ni合金中有三种金属化合物：Ti2Ni，TiNi和TiNi3 • 近等原子比的Ti-Ni 合金是最早得到应用的一种记忆合金。 由于其具有优异的形状忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高 的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物相 容性以及高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。 •
• Ti-Ni 记忆合金的相变温度对成分最敏感，含Ni量每增加 0.1%，就会引起相变温度降低10℃，添加的第三元素对
非热弹性马氏体相变 非热弹性马氏体的热滞后现象严重，连续冷却中不断形成 马氏体，而且每个马氏体片都是以极快的速率长到最后大小， 马氏体量由成核率和马氏体片的大小来确定，与马氏体片的生 长速率无关。
热弹性马氏体相变
热弹性马氏体相变，相变温度滞后很小，马氏体相和母相
间保持着弹性平衡。马氏体片可随着（温度或外应力）驱动 力的改变而反复发生长大或缩小。具有这种特征的马氏体称 为“热弹性马氏体” 。 具有热弹性马氏体转变的合金会产生“超弹性”和“形状
Ti-Ni 合金相变温度的影响也很大。
优缺点
• 具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良 好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性； • 研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料， 是目前应用最为广泛的形状记忆材料； • 缺点：制造过程较复杂，价格较昂贵。
铜系形状记忆合金 与Ti-Ni合金相比，Cu-Zn-Al制造加工容易，价格便宜， 并有良好的记忆性能，相变点可在一定温度范围内调节， 见表3-5，不同成分的Cu-Zn-Al合金相变温度不同。
双程形状记忆效应
形状记忆合金 全程形状记忆效应——当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为形状相同而取向相反 的高温相形状的现象。只能在 富镍的Ti- Ni合金中出现。
未来潜力材料之形状记忆合金
形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是一种由两种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性，广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。
形状记忆合金按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金（Ni-Ti SMA）、铜基形状记忆合金（Cu SMA）、铁基形状记忆合金（Fe SMA）3类。
其中，镍钛基形状记忆合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金；铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等种类；铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。
1/形状记忆合金的研究现状形状记忆合金因其独特的形状记忆效应一直是各主要国家的研究热点。
近年来，美国、欧洲、日本等国家和地区针对形状记忆合金制备工艺、成分配比、与先进制造技术结合的研究已取得显著的进展，尤其以4D打印技术为代表的先进制造技术使用形状记忆合金作为原材料，扩展了其在软体机器人、医疗器械、航空航天等领域的应用范围。
（一）中美欧等国开发出多种形状记忆合金制备新工艺，扩大了材料应用范围形状记忆合金/聚合物的制备方法主要有熔炼法、粉末冶金法、喷射沉积工艺、4D打印技术等，再根据应用需求配置后续的锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加工等成型工艺。
其中，熔炼法是传统金属冶金工艺，在真空下将金属原材料通过电子束、电弧、等离子体、高频感应等方式加热后进行熔炼，易产生杂质污染、成分不均匀、能耗高等问题，且需要经过切割加工形成合金产品。
而粉末冶金法则是利用金属或合金粉末进行热等静压和烧结，制备出最终形状的合金产品。
形状记忆合金
浅谈形状记忆合金传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。
难道合金也会像人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。
形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象，即它能记忆母相的形状。
具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素的合金，这样的合金成为形状记忆合金。
其主要技术指标如下：机械性能：拉伸强度：700－900Mpa（热处理）延伸率：15－30%形状记忆功能：单程（N=1）6－10%，双程（N=10-107）0.5-5%物理性能：密度：约6.5g/cm3.热膨胀系数：10-106/℃.熔点：约1300℃，导弹率：0.209W/cm℃（室温）. 比热：6-8Cal/mol℃电阻率：(50－110) ×10-6chm.cm。
那么形状记忆合金是如何被发现，原理是什么，有哪些具体的应用，又经历了怎样的发展呢？在接下来的文字中你将找到答案。
1963年，美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。
为了使用方便，于是就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。
在后续试验中一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且和原来的形状丝毫不差。
再反复多次试验，每次结果都完全一致，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。
就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。
形状记忆合金可以分为三类：单程记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。
如图1所示，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的形状记忆现象称为单程记忆效应；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；加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
功能材料第三章形状记忆合金
图19 双程CuZnAl记忆 合金花
这是利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制 成的记忆合金花，动作幅度为1800。采用CuZnAl记忆合 金片，以热水或热风为热源，开放温度为65℃~85℃，闭 合温度为室温。花蕾直径80mm，展开直径200mm。
用TiNi─1镍钛记忆合金制作的记忆合金热机实验装置。将 冷热水分别置于两个水槽中，利用冷热水的交替作用，即可使 水槽上方的螺旋 桨转动或停止。
功能材料第三章形状记忆合金
Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线
具有形状记忆效应的材料——形状记忆材料
形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME) 形状记忆效应——将材料在一定条件下进行一定限度
以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失 而回复到变形前的形状的现象。
架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好， 可较长期放置体内。
主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道 癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难， 增加进食量，明显改善生活质量。
图23 Ti-Ni合金制作的多种支架 (a)尿道支架 (b)食道支架 (c)胆道支架 (d)气管支架
本质：应力作用使材料的MS点升高。
图9 应力诱发马氏体相变概念图
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
60
40
20
0
270
290 310
MS AS
275K
330 350 温度/K 环境温度
图11 Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
图10 γ→ε相变晶格变动模型
3.1.3 超弹性（伪弹性）
形状记忆合金
TiNi形状记忆合金在医学领域的应用现状：
用于医学领域中的记忆合金必须满足化学和生物学等方面可靠性的 要求。实验证明，现有记忆合金中仅有TiNi形状记忆合金满足上述条 件，因此它是目前医学上使用的唯一一种记忆合金。因其具有奇特的形 状记忆效应、生物相容性、超弹性及优良的耐磨性，所以它在临床和医 疗器械等方面获得了广泛的应用。 （1）TiNi形状记忆合金在治疗机械中的应用：从目前的研究成果来看，TiNi形 状记忆合金元件的形状恢复力与其特征尺寸2次方成正比，且特征尺寸减小后 其表面积增加，冷却加快,这些特性使得其在医疗器械领域中得到了较广泛的应 用,主要表现在以下几个方面。
SMART MATERIALS - SHAPE MEMORY ALLOY (SMA)
MUSCLE WIRE
The diagramshows a battery and switch connected to muscle wire. A small weight stretches the muscle wire approximately 3 to 5 percent of its length. However, when a current is applied to the wire, it shortens lifting the weight. This cycle of turning on and off the current has the effect of lifting and then lowering the weight.
SMA的应用
SMA管接头：可以得到比一般接头更好的连接效果。接头内径比被 接管外径小4%。操作时，接头浸内径回复到扩径前的状态，箍紧被接管。 类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封 垫圈、接骨板和脊柱侧弯矫形哈伦顿棒等。
形状记忆合金
形状记忆合金的应用
由于SMA具有上述特性， 使得其在许多领域都有
广泛的应用。以下是 SMA的一些典型应用
形状记忆合金的应用
机器人：在机器人领域，SMA可 以用于制作驱动器，用于实现
机器人的自主运动。此外，SMA 还可以用于制作可变形的机器 人手臂和腿部
航空航天：在航空航天领域，SMA 可以用于制作智能驱动器，用于 控制机翼、火箭发动机等的关键 部件。此外，SMA还可以用于制作
形状记忆合金的未来发展趋势
总之，形状记忆合金在未来将会有更广泛的应用和更 重要的价值
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随着科技的不断进步和创新，我们期待着SMA在更多的 领域中发挥其独特的优势和潜力
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形状记忆合金的未来发展趋势
01
与其他材料的结合：未来，SMA 可以与其他材料结合，形成新的 复合材料或功能材料。例如，将 SMA与高分子材料结合，可以制 作出具有形状记忆效应和高强度 的高分子复合材料
智能化应用：随着智能化时代
02 的到来，SMA的智能化应用将 会越来越广泛。例如，将SMA 与传感器结合，可以制作出具 有自适应能力的智能传感器
热敏元件和执行器
智能材料：在智能材料领域， SMA可以用于制作智能驱动器， 用于实现材料的自适应变形。 此外，SMA还可以用于制作温 度敏感材料等
医疗：在医疗领域，SMA可以用 于制作可变形支架，用于治疗动 脉硬化等疾病。此外，SMA还可 以用于制作牙齿矫正器等医疗设 备
形状记忆合金的未来发展趋势
形状记忆 合金
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形状记忆合金的特性
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形状记忆合金的应用
形状记忆合金
形状记忆合金090201 王晓刚20090573引言形状记忆合金（Shape Memory Alloys,SMA）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变形后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复其变形前原始形状的合金材料。
除上述形状记忆效应外，这种合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性”，英文pseudoelasticity）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——热弹性马氏体相变。
形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect SME)。
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回复应变和较大形状回复力的时候,才具有利用价值。
到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。
形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。
形状记忆合金的发展史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，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi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，CuZn、CuZnAl、CuAlNi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。
形状记忆合金
生物医疗
用于医学领域的 TiNi形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面 的要求，即良好的生物相容性。TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上 TiNi合金主要应用有：
(a)牙齿矫形丝用超弹性 TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi合金丝是最适宜的。 通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr合金丝，但这些材料有弹性模量高、弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力， 在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产 生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变（stress-induced martensite）使弹性模量呈现非线型特性，即应变增 大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它 压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来 的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。
另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射 期间的污染。
分类
形状记忆效应
伪弹性
形状记忆效应
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 的形状记忆现象称为单程记忆效应。
双程记忆效应。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。
全程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
其它
在工程和建筑领域用 TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥 梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。
形状记忆合金
形状记忆合金shape memory alloy定义：具有形状记忆效应的合金。
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，压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由两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。
起源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"。
20世纪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；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，张禄经、Read发现Au-47.5%Cd具有形状记忆效应；1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）的Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol（Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形状记忆合金；70年代，CuAlNi也被发现具有形状记忆功能；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（Two Way Shape Memory Effect）、全程形状记忆效应（All Round Shape Memory Effect）、逆向形状记忆效应（Inverse Shape Memory Effect）相继被发现。
形状记忆合金
形状记忆合金定义形状记忆合金，又称为记忆合金，是一种具有记忆功能的金属材料。
被称为“材料的巨人”或“智能材料”，由于其独特的物理特性，已经成为现代工业中的重要材料之一。
它不仅可以自主改变形状，而且可以记忆原来的形状并在一定温度范围内进行形态识别和变形。
原理形状记忆合金主要是通过改变材料内部晶体结构来实现形状记忆功能。
其中最常见的形状记忆合金是一种双相合金，由晶体起始相和晶体终止相两个相组成，分别具有不同的形状和热特性。
当形状记忆合金受到作用力或温度改变时，晶格结构重新排列，相互作用能随之变化，从而导致形状和热特性的变化，从而实现形状的记忆和变形。
这种材料具有良好的形状记忆性和超弹性，可以广泛应用于机器人、人工心脏瓣膜、汽车零部件、航空航天等领域。
应用形状记忆合金的应用范围广泛，可以用于各种机械、电子、核能、航空和航天等领域。
其中曾被应用于航天飞机发射过程中的支撑结构系统中。
近年来，由于其优良的形状记忆性能，超弹性和良好的机械性能，在医疗设备中的应用越来越受到关注。
由于其出色的抗腐蚀性能和轻质化特性，这种材料也被广泛用于制造管道和储氢器。
值得一提的是，形状记忆合金不仅可以用于实体制造，还可以用于制造智能材料和微纳米器件。
因此，它有着广阔的发展前景和潜力。
发展趋势形状记忆合金是目前发展最快的材料之一，其研究领域广泛，应用领域也越来越广泛。
未来，随着国家对新型材料研究的不断重视和投入，形状记忆合金的应用领域将不断扩大，促进其技术的创新和发展。
预计未来数年内，形状记忆合金的市场需求将呈现逐年增长的趋势。
结论形状记忆合金作为一种具有独特属性和广泛应用领域的新型材料，拥有着广泛的市场前景和潜力。
随着现代工业的发展，它将在各个领域发挥越来越重要的作用，推动新型材料行业的蓬勃发展。
形状记忆合金
陶瓷材料可借顺电-铁电或反铁电-铁电相变呈现驱动，其应变远较合 金为小，但反应较迅速。磁控形状记忆材料在磁场作用下，使马氏体再取 向呈现驱动。高分子材料，在玻璃态转变温度Tg以上，呈橡皮状行为，在 Tg温度，冻结的高分子链段变为可动。在Tg以下，应变消失，形状回复至 原始态。高分子记忆材料重量轻、价廉、易控制，可由热、光和化学反应 控制形状改变等优点，但回复应力极小(仅1~2.5MPa，是合金的百分之 一)。
T0
1 2
( As
Ms)
6
非热弹性马氏体相变热滞大、As-Ms温差大，相变时，母相晶体产生塑性 变形，两相界面不具有协调性，相界面不能随温度变化可逆往复迁动。无
形状记忆效应或仅显示有限记忆效应，如一般钢中的马氏体。
2) 热弹性马氏体 马氏体和母相的晶体点阵呈完全的晶体学可逆性
的马氏体相变称为热弹性马氏体相变。分成两类：第一类是Ms-Mf的间隔 温度小，而且As>Ms，如AuCd(镉)合金、CuAlNi等合金；第二类是MsMf的间隔温度大，而且As<Ms，如Fe3Pt、AuZn、CuZn、AgCd、NiAl 等合金。第一类热弹性马氏体，除温度滞后的大小外，相变特征温度和各
形状记忆合金(Shape memory alloy)
1.马氏体相变与形状记忆效应 2. Ni-Ti系形状记忆合金 3.铜-基形状记忆合金 4.铁基形状记忆合金 5.其他形状记忆合金 6. 形状记忆陶瓷 7. 形状记忆合金的应用
形状记忆合金
1.马氏体相变与形状记忆效应 马氏体相变与形状记忆效应 2. Ni-Ti系形状记忆合金 系形状记忆合金 3.铜-基形状记忆合金 铜 基形状记忆合金 4.铁基形状记忆合金 铁基形状记忆合金 5.其他形状记忆合金 其他形状记忆合金 6. 形状记忆陶瓷 7. 形状记忆合金的应用
(2) 温度的单程与双程形状记忆
将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为马氏体开 将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为马氏体开 始相变温度M 继续冷却到马氏体相变停止的温度称为M 始相变温度 s，继续冷却到马氏体相变停止的温度称为 f；将处于低温 的马氏体相加热，到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为A 的马氏体相加热，到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为 s，继续 加温到某一温度，马氏体相全部转变到原母相的状态，此温度为A 加温到某一温度，马氏体相全部转变到原母相的状态，此温度为 f。通常
2
(1) 形状记忆合金的特性
合金在某一温度下变形后，仍保持其变形的形状， 合金在某一温度下变形后，仍保持其变形的形状，但当温度升高到某 一温度时，其形状恢复到变形前的原形状，即对以前的形状保持记忆特性， 一温度时，其形状恢复到变形前的原形状，即对以前的形状保持记忆特性， 称为形状记忆效应 形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图1 形状记忆效应。 称为形状记忆效应。形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图 所示。 所示。
图1 形状记忆效应和超弹性 a) 普通金属；b) 超弹性；c) 形状记忆 普通金属； 超弹性；
3
普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后可恢复到原来形状， 普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后可恢复到原来形状， 无永久变形，但当变形超过弹性范围时再去除载荷， 无永久变形，但当变形超过弹性范围时再去除载荷，材料不能恢复到原来 形状而保留永久变形，加热并不能使此永久变形消除，如图1a所示 所示。 形状而保留永久变形，加热并不能使此永久变形消除，如图 所示。而形 状记忆合金在变形超过弹性范围时，去载后虽也有残留变形， 状记忆合金在变形超过弹性范围时，去载后虽也有残留变形，但当加热到 某一温度时，残留变形消失而恢复到原来形状，如图1c。另外， 某一温度时，残留变形消失而恢复到原来形状，如图 。另外，形状记忆 合金变形超过弹性范围后，在某一程度内，当去除载荷后， 合金变形超过弹性范围后，在某一程度内，当去除载荷后，也能徐徐返回 原形，如图1b所示 这一特性称为超弹性 所示， 超弹性。 合金， 原形，如图 所示，这一特性称为超弹性。如CuAINi合金，当伸长超过 合金 20%(大于弹性极限 后，去载仍可恢复。 大于弹性极限)后 去载仍可恢复。 大于弹性极限
形状记忆合金
较易
相当难
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• 铁基形状记忆合金发展较晚，早期的FePt和FePd 合金由于价格昂贵未能得到应用
• 1982年有关Fe-Mn-Si记忆合金的研究论文的发表 ，引起了材料研究工作者极大兴趣，目前主要有 Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金。
• 与TiNi合金和铜基合金相比，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。
27
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
最大400MPa
最大200MPa
105(ε=0.02) 107(ε=0.005)
102(ε=0.02) 103(ε=0.005)
良好
不良，有应力腐蚀破坏
加工性
不良
不太好
记忆处理
分别表示为As和Af。
钢的马氏体转变
15
• 为使P(母相) M(马氏体相)相变产生，M相的化学自由 能必须低于P相，
• 相变需要驱动力，如不过冷到适当低于T0(P相和M相化学 自由能达到平衡的温度)的温度Ms，相变不能进行，
• 逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0的温度As。 • To和Ms之差称为过冷废，钢铁马氏体相变的过冷度为
• 热效应和弹性效应之间的平衡态就是热弹性的由来。
CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变
(马氏体长大)
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• 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。
形状记忆合金SMA
力学性能及改善方法：
Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金的性能比较
合金 性能
抗拉强度
(MPa) 屈服强度
(MPa)
Ni-Ti
Cu-Zn-Al
1000
50 - 200 (马氏体相) 100 - 600（母相）
700
50 - 150（马氏体相) 50 - 350（母相）
延伸率(%)
20 - 60
– 马氏体相变转变过程中，没有原子的扩散，也不改变成 分，仅仅是晶格结构发生变化。母相(P)和马氏体相(M)内 的晶格点阵有看一一对应的关系
– 除钢外，纯金属Li、Ti、Hg、Tl、Pu、Co，合金AuCd、 CZruOA2l，、非Ag金Zn属、材C料uZVn3形、S状iT，记i忆N也合i，金存S化M在A 合马物氏半体导相体变BaTiO3、
• FeC合金中，C原子和Fe原子的间隙位置，在奥氏体和马 氏体中都保持不变，并导致马氏体的四方性。
• 马氏体相变前后没有任何化学成分的改变，马氏体相成分 和原母相成分完全一致
形状记忆合金SMA
马氏体相变是切变性相变
• 切变性相变：从母相到马氏体相的转变过程是以切 变方式进行的，是靠母相和新相界面上的原子以协 同的、集体的、定向的和有次序的方式移动，实现 从母相到马氏体相的转变
形状记忆合金SMA
（一） Cu基记忆合金中的基本相和相变
Cu基记忆合金的成分范围通 常在相区
相区成分的合金
高温淬 火冷却
亚稳的有序'相
热弹性马氏
加热
体相变转变
冷却
马氏体
Cu-Zn-Al合金相图的垂直截
形状记忆合金SMA 面图(6 wt%Al)
（二） Cu-Zn-Al基记忆合金的稳定性及其影响因素 稳定性 － 相变点、记忆性能、力学性能、化学 影响相变点的因素： 成分： Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)% 热循环：随热循环次数的增加相变点会变化。在
形状记忆合金
形状记忆合金形状记忆合金简称「记忆合金」，是一种功能性金属材料，能在一定条件下恢复原来的形状。
换句话说，这种合金对形状有记忆能力，而且它的「记性」相当好，有些在反复改变500万次后，仍能在一定条件下恢复原状，普通金属就没有这个本领。
「记忆合金」具有记忆能力，这是在偶然情况下发现的。
1958年美国某海军研究员奉命研制新式武器，并领回了一些镍钛合金丝。
由于这些合金丝弯弯曲曲，研究人员就把它们一根一根拉直。
但在实验过程中却惊奇地发现，当温度升到某定值时，镍钛合金丝竟然全部恢复到原来弯弯曲曲的形状。
即使多次反复试验，结果还是相同。
「记忆合金」为什么具有记忆能力呢?金属是由相同原子紧密堆积而成的，合金则是由不同的金属原子堆积形成的。
由于金属原子的大小和结构各有不同，合金形成的条件也相异，因而形成不同的晶体结构，分为「沃斯田体结构」和「麻田散体结构」，两种结构间的转换则称为「沃斯田体相变」。
一般都认为「记忆合金」具有麻田散体相变，加热到相变温度时，就从「麻田散体结构」转变成「沃斯田体结构」，恢复原来的形状。
换句话说，具有「麻田散体相变」的合金，在相变温度时具有记忆能力，这种相变温度就称作「记忆合金」的「记忆温度」。
到目前为止，已知具有形状记忆能力的合金主要有3类:铁基合金;镍–钛合金;铜基合金，如铜–锌–铝、铜–铝–镍等。
这些「记忆合金」各有千秋，如镍–钛合金的性能好，可靠性强，但价格贵。
铜基合金价格较便宜，只有镍–钛合金的10%，但可靠性差。
至于铁基合金的价格则最便宜，刚性好，强度也大，又易加工。
此外，金–镉、铟–铊合金也具有记忆能力，但因价格太贵了，应用并不多。
记忆合金由于具有特殊的记忆功能，得以广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源、自动化等方面。
镍–钛合金的应用比较广泛，因为它的「记忆温度」可以藉由成分来调节。
一般来说，镍含量高的记忆温度就会降低。
例如，50%镍和50%钛的合金记忆温度是摄氏40度，但55%镍和45%钛的合金在室温下就具有记忆能力了。
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SMA微型手臂
记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合金 制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸 长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合记忆” 功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。下图是日本 TOTO公 司生产的智能水温调节器。
智能水温调节器
形状记忆合金血栓过滤器
马氏体的形变与加热后的形状记忆
(a) 原始形状
(b) 拉 直
(c) 加热后恢复
形状记忆效应简易演示实验
形状记忆合金可以分为三种： （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的形状记忆现 象称为单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 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，冷却时变为形状相同而取 向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。 这三种效应的产生与材料的成分、处理工艺等因素 有关。
形状记忆合金（SMA）
形状记忆效应（SME）：如果将具有热弹 性转变的合金在一定条件下施加外力或将其 冷却到该合金的Ms点（或Mf）点以下并使 之发生形状改变，如果再将这种合金加热到 高温相状态（即As点以上）使马氏体发生逆 转变，此时合金又会自动地恢复到变形前的 形状。这种现象称为“形状记忆效应”。
非热弹性马氏体相变
非热弹性马氏体的热滞后现象严重，连续冷却中不 断形成马氏体，而且每个马氏体片都是以极快的速率长到 最后大小，马氏体量由成核率和马氏体片的大小来确定， 与马氏体片的生长速率无关。
热弹性马氏体相变 热弹性马氏体相变，相变温度滞后很小，马 氏体相和母相间保持着弹性平衡。马氏体片可 随着（温度或外应力）驱动力的改变而反复发 生长大或缩小。具有这种特征的马氏体称为 “热弹性马氏体” 。 具有热弹性马氏体转变的合金会产生“超弹 性”和“形状记忆效应”。
马氏体相变
当母相奥氏体快速冷却时，奥氏体转变成片状或针状新相，新 相为体心四方结构，与母相的结构不同，但新相与母相的成分却 相同。为了纪念德国冶金专家马丁(A. Martens)在金相研究方 面的贡献，人们把钢经高温淬火后形成的相叫做马氏体相。从奥 氏体到马氏体的转变叫做马氏体相变，马氏体相变是无扩散型相 变。 二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析的方法测得钢中马 氏体是碳溶于 α -Fe而形成的过饱和固溶体，马氏体中的固溶碳 即原奥氏体中的固溶碳，因此，曾一度认为“所谓马氏体即碳在 α -Fe中的过饱和固溶”。
（a）预压缩
（b）受热扩张后（c）植入腔道内效果
（a）消化道内支架 （b）血管内支架 （c）胆道内支架 腔内支架临床应用实例
微型手臂
将SMA(Ni-Ti)线外包一层硅橡胶，SMA线在高温下记忆图 (c)的 形状后，在室温下可加工成图(a)的形状。使用时，SMA线可通 电发热，因记忆效应，手臂重新闭合如图(b)形状；冷却对可回 复至张开状态。
铁基形状记忆合金
形状记忆合金的应用
月球上使用的形状记忆合金天线
形状记忆合金铆钉
形状记忆合金管接头
医用腔内支架的应用原理如图所示。记忆合金支架 经过预压缩变形后（a），能够经很小的腔隙安放到人 体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿 道等各种狭窄部位。支架扩展后形成如图（b）所示的 记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，如图 （c）所示，这样就能起到很好的治疗效果。
具有形状记忆效应的合金
TiNi合金
要使成型加工后的TiNi合金具有形状记忆功能，必须对合金 进行训练处理，也就是记忆热处理，单程、双程形状记忆材料 的形状记忆处理方法不同。
Cu基合金
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。 Cu基合金的种类： 主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来
热弹性马氏体相变
降温过程中，奥氏体将转变成马氏体。马氏体转变开 始和终了温度分别以Ms、Mf表示；加热过程中，马氏体 逆相变开始和终了温度分别以As、Af表示。对于不同材 料，这些特征温度不同。马氏体逆相变中存在热滞后现象， 使得As大于Ms。按As-Ms的大小和马氏体的生长特征将 马氏体相变分成非热弹性马氏体相变和热弹性马氏体相变 两类。
四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许 多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观 察到冷却过程中发生的马氏体转变；同时也观察到 了在加热过程中所发生的马氏体转变。由于这一新 的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为：“在 冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏 体 ”。 马氏体相变-以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏 体相变。