-ppt-形状记忆合金
合集下载
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。
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。
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
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
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 。
《神奇的记忆合金》PPT课件-12页PPT资料
ory Alloys,），简 称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，恢复其变形前原始 形状的合金材料，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。
形状记忆合金(shape memory alloy)在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤 骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和 手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生 活也同样休戚相关。 形状记忆合金具有形状记忆效应（shape memory effect），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。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保险装置。当发生火灾时,记忆合 金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹 簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀 门。形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用于各类温度传感器触发器中。 形状记忆合金另一种重要性质是伪弹性（pseudoelasticity，又称超弹性，superelasticity） [1] ，表现为在外力作用下，形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力，即加载过 程中产生的大应变会随着卸载而恢复[1] 。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到 了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等[2] 。用形状记忆合 金制造的眼镜架，可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏（并不是应用形状记忆效应， 发生变形后再加热而恢复）[2] 。
形状记忆合金(shape memory alloy)在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤 骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和 手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生 活也同样休戚相关。 形状记忆合金具有形状记忆效应（shape memory effect），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。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保险装置。当发生火灾时,记忆合 金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹 簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀 门。形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用于各类温度传感器触发器中。 形状记忆合金另一种重要性质是伪弹性（pseudoelasticity，又称超弹性，superelasticity） [1] ，表现为在外力作用下，形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力，即加载过 程中产生的大应变会随着卸载而恢复[1] 。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到 了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等[2] 。用形状记忆合 金制造的眼镜架，可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏（并不是应用形状记忆效应， 发生变形后再加热而恢复）[2] 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、Ni-Ti形状记忆合金
基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳， 耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、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。
用极薄的记忆合金材料
先在正常情况下按预定要求 做好，然后降低温度把它压 成一团，装进登月舱带上天 去。放到舱面上以后，在阳 光照射下温度升高，当达到 转变温度时，天线又“记” 起了自己的本来面貌，变成 一个巨大的半球形。
利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安
装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警 装置，达到报警的目的。
SMA火灾报警器
在航天上，可用形状记忆合金制作航天 用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面 形，在马氏体状态下压成团，送上太空后, 在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超 弹性合金作为机械储能材料也很有前景。
(2) 影响相变温度的因素
1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相变温度降低10℃。
2)第三元素: Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni可减少相变滞后，节约合金成 本；Nb使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。 4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。
二、形状记忆效应的性质
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c.
b.c.c
马氏体相变晶体学模型
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
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
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
。
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。
相变超弹性
马氏体还可由应力诱发产生， 在高于Ms的某一温度（Md）以下对 合金施加外力引起马氏体相变所形成的马氏体称应力诱发马氏体。应力 去除后，变形马氏体又变回该温度下的稳定母相，恢复母相原来形状， 应变消失,这种现象称超弹或伪弹性
☞应力诱发马氏体相变的合金的马氏体数量为外加应力的函数，即当施加的外
☞在记忆合金中，相变滞后程度小，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。
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；
用记忆合金制作的眼镜架。当
这种眼镜架弯曲时，只要将它
放入55。C的温水中，即可恢复 到原来的形状 。
四、材料学方面的问题
形状记忆合金在应用上还存在不少材料学方面的问题.
⑴ 相变点调整：相变点与合金种类、成分及热处理条件有关, 尤 其对成分非常敏感。如Ti-Ni 合金Ni含量(at)由50%变到51%时， Ms点则由60℃变到-30℃，As点由78℃变到-12℃。对Ti-Ni合 金可用不同相变点粉末混合, 使相变点控制在±2℃之内。 ⑵ 淬透性：合金缓冷时大多要发生共析分解，需要提高淬透性, 可通过合金化解决。如在Cu-Zn合金中加Al.
（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。
三种记忆效应如下图所示。
目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基 形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。
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。
☞合金的这种记忆效应是由合金的 “相变化”来实现的，随着温度的改变，
合金的结构从一相转变到另一相。
☞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"。
形状记忆效应示意图：
(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。
形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是 作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，
也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及
自动控制。
1. 工业上的应用
⑴连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量
最大的一项用途。连接方法是预先将管接头内 径做成比待接管外径小4%，在Ms以下马氏体 非常软，可将接头扩张插入管子，在高于As 的使用温度下，接头内径将复原。
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。样品显示出宏观形状的变化。卸去应力后，变形 保持下来。
应力增加时，母相转变成马氏体相的数量增加，当应力减少时则进行逆相变使母 相增多。
☞外应力对诱发相变的作用不仅与合金种类有关，而且受试验温度的影响。在
Ms以上，某一定温度以下，应力或形变会导致马氏体的形成，将此温度称为Md 温度。
形状记忆过程
马氏体自适应形（Ms – Mf ） 宏观均匀变形，无明显 形状变化 马氏体再取向（ Mf以 下施加一定限度内的 应力），有明显形状 变化 马氏体逆转变回 母相，形状变化 消失
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 到原状的合金应具备如下条件：
①马氏体相变是热弹性的；但只是必要条件
谢谢观看
20141451011 产品设计：张锐
一、什么是形状记忆效应 二、形状记忆效应的性质 三、形状记忆合金材料的特点 四、形状记忆合金的应用
五、材料学方面的问题
一，什么是形状记忆效应:
形状记忆效应的发现： 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。
(3) 合金制备
☞由高纯电介镍与海绵钛作原料，采用高频感应炉与自耗炉(电弧熔炼法)
或等离子体与电弧熔炼法获得了TiNi合金铸锭。
☞随后在700~800℃进行热加工，包括模锻、挤压及轧制。丝状产品可
通过冷拔，每次加工率小于20％，为消除加工硬化，冷加工期间可在700800℃进行多次退火。
五、形状记忆合金的应用
☞表征材料记忆性能的主要参数：包括记忆合金随温度变化所表现出的
形状回复程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，也就是经历一定热循环或 应力循环后记忆特性的衰减情况。此外，相变温度及正、逆相变的温度滞 后更是关键参数。
☞影响记忆特性主要参数的因素有：合金的成分、成材工艺、热处理(包
括冷、热加工)条件及其使用情况等。
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。
马氏体相变的一些临界温度
☞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。
超弹性过程
施加应力马氏体沿 应力方向择优形成 （Md以下），有 明显形状变化 卸除应力马氏 体逆转变回母 相（Af以上）， 形状变化消失
三、形状记忆合金材料的特点
已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、 铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金 和铜系合金。