SMA-形状记忆合金
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指在外力驱动下可以产生形状记忆效应的金属合金，其最重要的特性是在一定范围内可以自恢复原始形状，同时具备优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能及高温稳定性等优点。
SMA最早是在1962年由William Buehler 提出的，自此以后，SMA就被广泛研究并应用于不同领域。
SMA的特性是由其所具备的晶体结构和相变特性所决定的，SMA常见的结构类型有Cu-Zn-Al、Ni-Ti、Cu-Al-Ni、Fe-Mn-Si等。
其中，最为常用的是Ni-Ti SMA，这种合金具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，是目前最为常用的SMA之一。
当SMA处于高温相（austenite相）时，晶体结构稳定，SMA可以被加工成任意形状。
当外界作用力使SMA在相变温度下降到低温相（martensite相），晶体结构失稳，原本具有的形状记忆效应就会被激发出来。
这种相变是可逆的，可以产生与消失形状记忆效应，从而使SMA表现出自修复、自调整和自适应等功能，被广泛应用于机械、微机电、汽车、医疗等领域。
SMA在机械系统中有广泛应用，例如：在阀门、制动系统、传感器和运动控制系统中使用的SMA弹簧、阀杆、马达和块体，以及金属粉末成型制造的SMA零件，可以安装在汽车和航空航天系统上，在温度和振动变化等条件下，能保障系统的性能稳定和安全可靠。
SMA在医疗系统中的应用也非常广泛，例如利用SMA刀具控制机械手的运动，可以在手术中进行精确的切割和缝合。
同时，利用SMA在不同温度下的形状变化，可以制造热敏支架、热敏钩子和热敏衬垫等医疗器械，可以在体内完成自动放置和释放、自由展开和收缩等操作，很好地解决了手术中的一些难题。
SMA还广泛应用于微纳机电系统（MEMS）中，例如利用SMA薄片可控制悬臂梁的挠度和弯曲，从而实现无线通信、火灾预警、生物传感和关节外科等微型器件。
此外，利用SMA 的变形能力和自恢复特性，也可以制造可变形的电缆、活塞和电子插头等调节设备，实现快速、准确、稳定和可靠的微调控制。
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。
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。
形状记忆合金(SMA)讲解
Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程 依成分和预处 理条件的不同 母相 母相 马氏体 R相 马氏体 加铁、时效
相变过程都 是热弹性马 氏体相变
R相变出现 记忆效应由两个 相变阶段贡献
R相变不出现 记忆效应由单 一相变贡献
（二） 合金元素对Ti-Ni合金相变的影响
加入合金元素调整相变点
例：加Cu置换Ni 形状记忆效应、力学性能， 合金的价格显著降低 , 加入 Cu 对相变温度有显著影响 , 相变 温区 ( M s - M f ) 、 ( A f - A s ) 都变窄 , 窄滞后记忆合金 例：加Nb 可得到很宽滞后的记忆合金
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后 马氏体与母相的平衡温度
∆G（T）PM是母相转变为马氏体的驱动力； ∆Gc PM是母相转变为马氏体的化学驱动力 （∆Gc PM=G M -G P）；∆Gnc PM是非化学 驱动力，主要是相变时新旧相体积变化而 产生的应变能；∆Gs是指弹性应变能以外的 相变阻力，近似看作定值。
马氏体相变的临界温度
Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始
点
Af :逆马氏体相变结束 点
应力诱发马氏体相变
Stress Induced Martensitic Transformation
3.1形状记忆机理
3.1.1热弹性马氏体相变
f.c.c. b.c.t
马氏体相变 (Martensitic Transformation)
• 马氏体相变概述
– – – – 命名，德国人 Adolph Martens 最初的认识：相变产物的特征 深入研究：形核和生长的过程 生长速度
铁基形状记忆合金
铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金（SMA）是一种高度可复合的合金材料，具有独特的热可塑性。
铁基形状记忆合金具有众多优点，包括它可在复合状态下保持原本形状，具有可重复塑形能力，可以很容易地改变其形状以及具备可控的热力学参数等特点。
SMA最初被发现于1900年，发现者是英国物理学家贝克斯特。
随后，该技术最终被称为铁基形状记忆合金（SMA）。
第一，原理及特点。
铁基形状记忆合金通过一种反应来达到形状变化的效果，即热可塑性反应，可以由弹性状态变为复合状态。
其中，温度是最重要的参数，弹簧剪切变形或热可塑性反应也是重要参数之一。
除此之外，还可以使用机械剪切变形或其他外力作用的变形来改变应变能量的分布。
第二，应用领域。
铁基形状记忆合金在很多领域都得到广泛应用，例如：1、汽车。
SMA用于汽车防撞件的设计，能够以更低的能量消耗就可以抵抗撞击，而不会破坏车辆本身的结构，降低伤害或损害。
2、航空航天。
铁基形状记忆合金用于航空航天制造，如可编程挡泥板护舷，弹性支撑电缆，智能夹紧机构等等。
3、机械设备。
SMA用于智能设备和机械设备，可以让设备在对外界负荷作用时得以调整自身的某个方向，达到良好的机械性能。
4、医疗器械。
铁基形状记忆合金可用于制造人体内的器官的结构，如各种类型的支架，以减轻脊椎压力，缓解背痛等功能。
第三，前景及发展趋势。
随着铁基形状记忆合金相关研究技术的不断深入，对其应用领域和发展趋势也乐观充满期待。
未来，铁基形状记忆合金可应用于量子信息和遥感仪器，以及包括通信、安全性和便携设备在内的更多样化的领域。
这些领域将贡献新的应用，增加铁基形状记忆合金的有效使用。
铁基形状记忆合金的应用研究不断加深，应用领域也会有所扩展，从而促进人类社会的发展。
形状记忆合金(SMA)教材
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后 马氏体与母相的平衡温度
∆G（T）PM是母相转变为马氏体的驱动力； ∆Gc PM是母相转变为马氏体的化学驱动力 （∆Gc PM=G M -G P）；∆Gnc PM是非化学 驱动力，主要是相变时新旧相体积变化而 产生的应变能；∆Gs是指弹性应变能以外的 相变阻力，近似看作定值。
马氏体相变的临界温度
Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始
点
Af :逆马氏体相变结束 点
应力诱发马氏体相变
Stress Induced Martensitic Transformation
3.1形状记忆机理
3.1.1热弹性马氏体相变
f.c.c. b.c.t
马氏体相变 (Martensitic Transformation)
奥氏体
马氏体 9CrSi
马氏体相变 (Martensitic Transformation)
• 马氏体相变的一般特征
– 无扩散性 ：马氏体相变最本质的特征 – 切变性相变 – 共格性相变 – 惯习面 – 晶体缺陷 – 相变可逆性
马氏体相变是无扩散性相变
• • • LiMg合金在-200℃下发生了马氏体相变。在-200℃这样的 低温下，原子的扩散是不可能的。 FeC合金和FeNi合金在-20～-195 ℃之间，马氏体形成的 时间约为0.05～0.5μs，在-200℃以下以同样的速度形成 马氏体。 CuAl合金中，从母相到马氏体相的转变，有序结构保持不 变，根据有序母相的CuAl的原子位置及其取向关系，可以 计算出形成马氏体超结构X射线图相，结果与实验一致， 说明马氏体型相变过程只有原子位置的移动(小于一个原子 间距)，而没有原子位置的调换。 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
形状记忆合金的力学性能与本构模型研究
形状记忆合金的力学性能与本构模型研究一、内容综述形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）是一类具有形状记忆效应（Shape Memory Effect, SMA）和超弹性（Superelasticity）特性的先进功能材料。
自20世纪70年代以来，形状记忆合金在生物医学、航空航天、电子器件等领域得到了广泛关注和应用。
本文从形状记忆合金的力学性能与本构模型两个方面进行综述，重点介绍近年来在这些领域的研究进展与挑战，并展望未来的发展趋势。
在力学性能方面，主要讨论了形状记忆合金的高温马氏体相变特性、超弹性行为、应力诱导相变等现象。
高温马氏体相变使得SMA在温度变化时发生可逆的形状记忆效应，而超弹性则赋予了材料在受到力的作用下发生显著形变的能力，同时在外力消失后又能够恢复到原始形状。
这些独特的力学性能使得SMA在各应用领域展现出了巨大的潜力。
在本构模型方面，重点介绍了各向同性、非各向同性以及各向异性等类型的本构模型。
各向同性本构模型可以描述形状记忆合金在单一取向下的力学行为，而非各向同性本构模型则需要考虑材料的各向异性效应，以更准确地描述其在不同方向上的力学响应。
一些学者还提出了包含塑性和蠕变效应在内的多尺度本构模型，以更全面地反映形状记忆合金在实际工程应用中的复杂力学行为。
值得注意的是，虽然目前对形状记忆合金的研究已取得了显著进展，但仍存在诸多挑战和问题需要进一步研究和解决。
如何提高材料的塑性以提高超弹性的使用范围，如何降低材料在长时间加载过程中的疲劳损伤等。
未来的研究应继续关注形状记忆合金在力学性能与本构模型方面的研究进展，并着眼于解决现有的问题和挑战，以实现其在各领域的广泛应用和更高性能表现。
1. 形状记忆合金的发展和应用形状记忆合金（SMA）是一种具有独特力学性能的材料，能够在受到外部刺激（如温度、电流、磁场等）时发生形状的改变和恢复。
这种材料在许多领域都有着广泛的应用前景，如航空航天、生物医学、机器人科学以及精密仪器等。
形状记忆合金
形狀記憶合金形狀記憶合金，Shape Memory Alloy(SMA)，是一種加熱後能恢復其原有形狀的特殊合金。
最早是在1951年時，在Au-Cu合金中發現具有形狀記憶的特性，之後又陸續在許多合金中發現有類似的反應，目前較引人注目的有Ti-Ni系合金及Cu系合金。
而形狀記憶合金所表現出來的特性有兩種，一種是形狀記憶效應(Shape Memory Effect，SME)，一種是擬彈性效應(Pseudeoelastic Effect)。
形狀記憶合金的特色一般金屬的塑性變形乃是由於差排的移動，而差排移動之後造成的塑性變形無法用加熱方法使其恢復形狀。
在形狀記憶合金中，當材料溫度降低，一種新的結構，我們稱之為麻田散相，會自原來的結構（我們稱之為奧斯田母相）中長出。
而其過程為可逆的，當溫度升高時，會轉換成奧斯田母相。
形狀記憶效應是利用當溫度低於麻田散相轉換溫度時，若外力超過彈性極限，材料結構會重新排列，使材料產生如塑性變形的情形，當溫度升高時，麻田散相會轉換回原來的奧斯田母相，而記得原來的樣子。
當溫度高於麻田散相轉換溫度，外加應力一樣會促使奧斯田母相產生麻田散相而得到如塑?岒雱峈滷“峞A，但是若外力去除，不穩定的麻田散相將轉換回母相，此時其“塑性變形“會隨之消失，故稱此種效應為擬彈性效應。
一班來說，金屬的彈性變形量只有２％，形狀記憶合金能夠承受的彈性變形量是一般金屬的四到五倍。
而形狀記憶效應或擬彈性效應的發生，完全取決於材料的麻田散轉換溫度相對於測試溫度的變化，如（圖一）是發生此兩種效應的應力及溫度範圍相對於滑移臨界應力的關係。
（圖二）形狀記憶效應與擬彈性效應的示意圖。
如何製作形狀記憶合金使用形狀記憶合金最重要的就是它的麻田散相轉換溫度，此一轉換溫度會因經歷此寸、外加應力、熱循環次數....等因素而改變，其中以合金成份的改變對麻田散相轉換溫度的影響最劇烈，以Cu-Zn-Al記憶合金來說，增加一個重量百分比的鋅會使麻田散相轉換溫度下降51℃；增加一個重量百分比的鋁會使麻田散相轉換溫度下降134.5℃之多，因此成份的控制包括正確的百分比及均勻的品質將非常重要。
形状记忆合金原理
形状记忆合金原理形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一种特殊的金属合金，其具有可以改变形状的独特属性。
这种合金能够在经过变形后恢复到其原始形状，这种能力引发了广泛的研究和应用。
本文将介绍形状记忆合金的原理及其在不同领域的应用。
一、形状记忆合金的原理形状记忆合金的主要成分是钛镍（TiNi）合金，也可以是铜铝锌（CuAlZn）合金或镍钛铝（NiTiAl）合金等。
它们具有一个共同的特点，即双相结构。
双相结构是由固溶相（A相）和细颗粒析出相（B相）组成的。
形状记忆合金的特殊性质归功于这种双相结构。
当形状记忆合金处于较低的温度时，所处于的相是B相，此时合金处于一种弹性变形的状态。
一旦形状记忆合金被加热到相变温度以上，合金会从B相转变为A相，并且在外力的作用下发生塑性变形。
当应力消失后，合金会在冷却过程中逐渐从A相回转到B相，恢复其原始的形状。
这个过程被称为形状记忆效应。
形状记忆合金的形状记忆效应主要是通过相变来实现的。
在相变过程中，合金的晶体结构会发生变化，从而改变了其机械性能。
实现形状记忆效应需要充足的形变应力和足够高的温度。
形状记忆合金的相变温度可以通过合金成分的调控来改变，以适应不同的应用要求。
二、形状记忆合金的应用领域形状记忆合金的独特特性使其在多个领域中得到了广泛的应用。
1. 医疗器械形状记忆合金在医疗器械领域中有许多应用。
例如，钛镍合金可以用于支架和夹具，用于骨折固定和骨重建手术。
利用形状记忆合金制造的支架可以在低温下引导到目标位置，然后通过加热恢复到原始形状，起到固定和支撑作用。
2. 汽车工业形状记忆合金在汽车工业中也起到了重要作用。
它们可以用于汽车座椅、门锁和变形机构等部件。
通过调节温度，形状记忆合金可以实现自动调整座椅形状，提供更高的舒适性和驾驶体验。
3. 航空航天形状记忆合金在航空航天领域中有着广泛的应用。
它们可以用于飞机外壳和涡轮发动机等部件。
形状记忆合金具有良好的耐腐蚀性和高温性能，可以承受极端的工作条件，提高飞机的安全性和性能。
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
-
1
形状记忆合金的特性
2
形状记忆合金的应用
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
机器人中的形状记忆材料
机器人中的形状记忆材料一.前言形状记忆合金(SMA)不仅是一种具有潜在用途的智能材料，而且是一种新的功能材料, 其主要特征是具有形状记忆效应, 能感知温度或位移的变化, 可将热能转换为机械功，如果控制加热或冷却, 可获得重复性很好的设定的循环性动作。
由于形状记忆合金可集传感、驱动及执行机构于一体, 因而是一种很好的智能材料。
用形状记忆合金制作的机械动作元件具有独特的优点：如结构简单、体积小巧、成本低廉、控制方便等。
二.定义及原理（1）定义：形状记忆合金是经过适当的加工热处理使其记忆所要求的形状后,即使再变形，只要再加热到一定的温度，即可恢复到变形前形状。
由于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）。
（2）原理：大部分合金和陶瓷记忆材料是通过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奥氏体进行可逆转变的结果。
马氏相变是合金形状记忆效应与超塑性的基础。
三.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。
四.形状记忆合金的应用记忆合金应用十分广泛。
近年来, 随着形状记忆合金的逐渐进入工业化生产应用阶段, 在机器人的应用如在机器人元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分的应用十分引人注目。
日本在这方面的工作获得了很大成功, 在国际上处于领先水平。
早在年在日本科学城筑波举行的博览会上, 日本展出的机器人中就有台使用了形状记忆合金。
日本在海底机器人、微型机器人中采用的器件又取得了新进展。
形状记忆合金的原理
形状记忆合金的原理形状记忆合金（SMA）是一种具有特殊性能的金属合金材料，它可以在受到外界作用力后发生形状改变，并且在去除外力后能够恢复原来的形状。
这种材料的原理是基于固态相变的特性，具有独特的记忆效应，因此在许多领域得到了广泛的应用。
形状记忆合金最早是由美国海军研究实验室在20世纪60年代发现的，最典型的形状记忆合金是镍钛合金，也称为记忆合金。
它的记忆效应是通过固态相变来实现的，即在固定的温度下，合金会从奥氏体相转变为马氏体相，从而产生形状记忆效应。
当合金处于高温状态时，它会变得柔软并且可以随意变形；而当合金被冷却到特定温度时，它会恢复原来的形状。
形状记忆合金的原理主要包括两个方面，固态相变和形状记忆效应。
固态相变是指在固态条件下，材料的结构发生可逆性的相变，而形状记忆效应是指材料在经历形变后，能够恢复原来的形状。
这两个原理共同作用，使得形状记忆合金具有了特殊的性能。
形状记忆合金的固态相变是通过温度来实现的。
在高温下，形状记忆合金处于奥氏体相，此时合金具有良好的塑性和可塑性，可以被加工成各种形状。
当合金被冷却到特定的温度时，会发生相变，从奥氏体相转变为马氏体相。
在这个过程中，合金会发生形状记忆效应，即恢复原来的形状。
这一过程是可逆的，当再次加热合金时，它会再次变为奥氏体相，形状也会再次变化。
形状记忆合金的应用非常广泛，包括医疗器械、航空航天、汽车制造等领域。
在医疗器械中，形状记忆合金可以用于制作支架、植入物等，利用其形状记忆效应可以在体内完成形状的调整和恢复。
在航空航天领域，形状记忆合金可以用于制作航天器的折叠结构，可以在太空中完成形状的调整和展开。
在汽车制造领域，形状记忆合金可以用于制作汽车零部件，可以在受到外力作用后恢复原来的形状，提高汽车的安全性和可靠性。
总的来说，形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属合金材料，它的原理是基于固态相变和形状记忆效应。
这种材料具有广泛的应用前景，可以在许多领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出贡献。
形状记忆合金执行器疲劳寿命
形状记忆合金执行器疲劳寿命
形状记忆合金（SMA）执行器是一种智能材料，它可以根据外部刺激（如温度、应力或磁场）改变形状，并且在去除刺激后能够恢复原状。
SMA执行器在许多领域都有广泛的应用，包括医疗器械、航空航天、汽车工业等。
关于SMA执行器的疲劳寿命，有以下几个方面需要考虑：
1. 循环次数，SMA执行器的疲劳寿命通常与其循环次数有关。
在不断的形状改变和恢复过程中，SMA执行器会经历应力的变化，这会影响其疲劳寿命。
因此，对于特定的SMA执行器，需要进行循环寿命测试来确定其在特定应力范围内的使用寿命。
2. 温度影响，SMA执行器的工作温度也会对其疲劳寿命产生影响。
在高温下，SMA执行器的疲劳寿命可能会缩短，因为高温会加速材料的老化过程。
因此，在设计和使用SMA执行器时，需要考虑其工作温度范围，以确保其疲劳寿命符合预期要求。
3. 应力水平，SMA执行器在工作过程中所承受的应力水平也会影响其疲劳寿命。
过高或过低的应力都可能导致疲劳寿命的缩短。
因此，在设计SMA执行器时，需要合理确定其工作应力范围，以延
长其疲劳寿命。
总的来说，SMA执行器的疲劳寿命受到多种因素的影响，包括循环次数、工作温度和应力水平等。
在实际应用中，需要综合考虑这些因素，并通过实验和仿真等手段来评估和预测SMA执行器的疲劳寿命，以确保其可靠性和稳定性。
什么是形状记忆合金
什么是形状记忆合金有一种记忆方法是形状记忆法，你在运用过这种方法吗?那你有知道什么是形状记忆合金吗?下面和一起来了解什么是形状记忆合金吧，希望对你有帮助!形状记忆合金的定义形状记忆合金(Shape Memory 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。
形状记忆合金简介形状记忆合金(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) ，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[2-3] 。
高铁用大型复杂铝合金铸件的形状记忆合金应用技术
高铁用大型复杂铝合金铸件的形状记忆合金应用技术随着科技的不断进步和发展，高铁技术得到了快速的发展与应用。
作为现代交通运输的重要组成部分，高铁在提高交通效率和舒适性方面发挥着重要的作用。
在高铁运行中，各个部件的性能和质量都对整个系统的安全与性能起着关键的作用。
大型复杂铝合金铸件作为高铁中的重要组件之一，其材料选择和工艺应用对高铁性能与安全至关重要。
本文将重点介绍高铁用大型复杂铝合金铸件中形状记忆合金的应用技术。
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有特殊记忆效应的材料。
当SMA处于低温或应力作用下时，可以经历形状改变，但一旦温度或应力超过其转变温度或临界值，SMA就能恢复初始状态。
这种特殊的材料性能使得SMA在工业领域具有广泛的应用潜力。
在高铁用大型复杂铝合金铸件中，形状记忆合金的应用能够提供很多优势。
首先，SMA具有良好的形状记忆效应和弹性恢复性能，可以使铝合金铸件在受到外力后迅速恢复原状，从而降低了应力集中和疲劳损伤的发生。
其次，SMA具有较高的强度和硬度，能够提高大型复杂铝合金铸件的抗压能力和耐磨性，从而提高整个高铁系统的安全性能。
此外，SMA还具有优良的耐腐蚀性能，可以有效抵御高铁运行中的恶劣环境条件，提高铝合金铸件的使用寿命。
在实际应用中，高铁用大型复杂铝合金铸件的形状记忆合金通常采用两种形式：一种是整体性应用，另一种是局部性应用。
整体性应用是指在整个铸件中加入形状记忆合金。
这种应用形式适用于一些简单结构的铸件，如连接件、支撑件等。
在铸件制造过程中，可以将形状记忆合金预先固定在铸型中，在铸件冷却固化后，形状记忆合金必然与铝合金铸件完全结合。
通过控制形状记忆合金的转变温度和热处理工艺，可以实现铝合金铸件在外力作用下的形变和恢复。
整体性应用形式具有制造工艺简单、成本较低的优点，但受限于形状记忆合金的体积和材料属性，其应用范围相对窄小。
局部性应用是指将形状记忆合金嵌入到铝合金铸件的指定位置。
有特殊功能的金属
有特殊功能的金属特殊功能的金属在现代科技和工业中扮演着至关重要的角色。
它们不仅具有传统金属的基本特性，如导电性和导热性，还具有一些其他独特且极为有用的特征。
下面将介绍几种常见的具有特殊功能的金属。
1.形状记忆合金（SMA）形状记忆合金是一种能够在经历变形后返回其原始形状的金属。
这种特殊功能使其广泛应用于医疗器械、汽车制造和航空航天等领域。
举例来说，SMA在牙套、支架和血管扩张器上被广泛使用，因为它们可以在体内自动调整形状，减少病人的不适感。
2.超导体超导体是具有零电阻和完全排斥外部磁场的材料。
这使得它们能够在电流通行时不损耗能量，并具有出色的导电性能。
超导体常被用于制造强磁场磁共振成像（MRI）设备、高速列车磁浮装置和粒子加速器等高科技设备。
3.防腐蚀金属在恶劣环境中，如海水、化学品和高温环境下，金属容易发生腐蚀。
根据特殊需求，研究人员开发出了各种防腐蚀金属。
例如，具有深海防腐蚀性能的钛合金被广泛应用于海底油气开发；耐高温酸蚀的镍基合金被用于航空发动机。
4.透明金属金属通常是不透明的，但通过一些特殊的制备方法，如改变金属晶格结构和添加杂质，可以制造出透明金属。
透明金属具有传统金属的优点，如导电和导热，同时具备透明材料的特性。
透明金属的应用领域包括电子显示屏、太阳能电池和防弹玻璃等。
5.记忆泡沫金属记忆泡沫金属是一种轻质、高强度、多孔的金属材料。
它们通常由合金制成，具有形状记忆效应和吸能能力。
记忆泡沫金属被广泛用于吸能材料、减震器和生物支架等领域。
总之，随着科学技术的不断发展，越来越多具有特殊功能的金属被开发出来，并应用于各个领域。
这些金属的独特性能为科学研究、工业生产和生活带来了许多便利和创新。
通过不断的研究和创新，相信未来还会出现更多具有特殊功能的金属材料。
sma材料
sma材料
SMA材料课程简介
SMA材料（Shape Memory Alloy）是一种特殊的金属合金材料，在应力-应变条件下具有独特的形状记忆性质。
当受到外界刺激（如温度、应力等）时，SMA材料可以从一个形状恢复到其原始的形状。
这种形状记忆特性使得SMA材料在许多领域具有广泛的应用，如航空航天、汽车、医疗器械等。
本课程旨在介绍SMA材料的基本性质、制备方法以及应用领域。
学生将通过理论讲解和实践操作来深入了解SMA材料的原理和特性，并掌握其在实际生产和应用中的运用。
课程内容包括以下几个方面：
一、SMA材料的基本原理和特性
1. 形状记忆效应的原理
2. 超弹性特性的原理
3. 扩散相变的机制
二、SMA材料的制备方法
1. 熔融法制备SMA材料
2. 光热法制备SMA材料
3. 电化学法制备SMA材料
三、SMA材料的应用领域
1. 航空航天领域中的应用
2. 汽车工业中的应用
3. 医疗器械领域中的应用
4. 其他领域的应用
四、实践操作
1. SMA材料的制备实验
2. SMA材料的性能测试实验
3. SMA材料的应用案例分析
五、学习成果展示和讨论
学生将根据课程要求完成一个SMA材料的应用项目，并进行成果展示和讨论。
通过学习，学生将深入了解SMA材料的原理、制备方法和应用领域，并通过实践操作来巩固所学知识。
本课程适合材料科学与工程、机械工程、航空航天工程等相关专业的本科生和研究生。
通过学习本课程，学生将掌握SMA 材料的基本理论和实际应用技能，为未来工作和研究提供有力的支持和指导。
记忆合金机械手
记忆合金机械手形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA），简称记形合金，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。
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。
功能机理形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。
当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。
而当合金在高于相变态温度下，施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或超弹性（Super Elasticity）。
这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。
分类形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：单程记忆效应（1-way）：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（2-way）：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。
实例记忆合金柔性机械手研究摘要:介绍了一种新型SMA 驱动器, 从理论和实验上研究了驱动器的弯曲变形原理。
通过开环实验, 得到了SMA驱动器的控制模型, 并对驱动器P+ 控制进行了实验研究。
sma树脂生产工艺
sma树脂生产工艺SMA树脂，全称为形状记忆合金树脂（Shape Memory Alloy Resin），是一种具有记忆性能的塑料材料。
它可以在受热或受力的情况下发生可逆形变，具有广泛的应用前景，例如在医疗、汽车、航空航天等领域。
SMA树脂的生产工艺主要包括原料合成、树脂成型、固化和调优等步骤。
首先，原料的合成是SMA树脂生产的关键一步。
SMA树脂的主要成分是聚氨酯弹性体和形状记忆合金粉末。
聚氨酯弹性体具有良好的弹性和可塑性，而形状记忆合金粉末则是实现形状记忆效应的关键。
合成这两种原料需要严格的配比和反应条件控制。
其次，树脂成型是将合成好的原料进行装瓶、注射或压制成型的过程。
具体的方法可以根据产品要求和工艺设备的不同而选用，例如注射成型机、压力机等。
在树脂成型过程中，需要控制好温度、压力和时间等参数，以确保树脂成型的质量和形状。
接下来，固化是将树脂成型后的材料在特定的温度下进行固化处理，从而使其形成稳定的记忆效应。
固化过程中会通过提高温度，使形状记忆合金粉末发生相变，并与聚氨酯弹性体交联，从而增加树脂的强度和硬度。
最后，调优是对固化后的SMA树脂进行调整和优化的过程。
根据产品的具体要求，可以通过调整树脂的成分、温度和固化时间等参数，来改善树脂的性能和记忆效应。
同时，还可以通过热处理、拉伸等加工方法，进一步提高树脂的形状记忆效应和力学性能。
总之，SMA树脂的生产工艺需要严格控制原料的合成、树脂的成型、固化和调优等步骤，以确保树脂的性能和质量。
这些工艺步骤的每一环节都需要精确控制和专业知识支持，才能生产出具有优异性能的SMA树脂材料。
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In Mechanical—— Pipe Coupling
The SMA coupling has an internal diameter smaller than the pipe’s outer diameter Cool the coupling using liquid nitrogen so it transforms to martensite phase When in the martensitic phase the coupling can be stretched to a larger ID than the pipe and easily fitted over the pipe. The join can then be heated to return to its original shape and thus exert a large pressure on the pipe.
Shape Memory Alloy
(SMA)
Wu Huixing 2013.4.28
Outline
• • • • Introduction Mechanism Applications Problems
1.Introduction
shape memory effect（SME）
Unbelievable！
In everday life——Thermostatic mixing valve
High temperature: SMA spring (A) is harder than bias spring
Low temperature: SMA spring (M) is softer than bias spring
Transformation without stress
Transformation with stress
load
unload heated
•Applying load detwin the martensite •releasing of the load the material remains deformed •Temperature above A0f reverse phase transformation
Good SME and formability, biocompatible, etc. Expensive?
(Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni)
Cheaper, etc. bad formability and mechanical properties?
(Fe-Mn-Si)
Good mechanical properties, formability etc. Corrosion?
Shape memory ceramics
Shape memory polymers
2.Mechanism——Martensitic transformation
Solid States
① Austenite
T>Tt (High T) Hard, rigid Inelastic Simple FCC structure
1951, SME was found in Au-Cd alloy 1963, SME was found in Ti-Ni alloy Active research
Ti-Ni based alloys
Cu-based alloys
Fe-based alloys
(based on TiNi alloy)
SME —— After plastic deformation, when heated to a certain T , the material may return to original shape SMA —— An alloy having a shape memory effect
Development
shape recovery
3.Applications
In Aerospace——Aerial
“That’s one small step for (a) man, one giant leap for mankind”
——Neil Armstrong
Aircraft Wings
• Normally aircraft use large hydraulic systems which are expensive and need a lot of maintenance.
• Fatigue life
TiNi ——105 ~ 107 CuZnAl ——102 ~ 103
• Self-cost
Relatively expensive to manufacture compared to other metals such as steel and aluminium
SMA Wings
• Aircraft with SMA wings would be much more compact and efficient • SMA wires are placed through the wing which contract when heated and expand when cooled • heated by an electrical current, when it is switched off ,they are cooled by the surrounding air
normal （ budding flower ）
Heated （in bloom）
cooled
reheated
SME&SMA
elastic region load load
Stress(σ )
permanent deformation
unload heat
unload
Strain( ε )
Normal Shape memory alloy
Memory glasses frame
In medical - Teeth
4.Problems
• Sensitive critical transformation temperature:
Ti-50at.%Ni——Ms： 60 ℃ Ti-51at.%Ni——Ms：-30 ℃ As：78 ℃ As：-12℃
Austenite
② Martensite
T<Tt (Low T) Soft, flexible Elastic Complex structure
Martensite
Twinned Martensite
Detwinned Martensite
M0s——martensitic start temperature M0f——martensitic finish temperature A0s—— austenite start temperature A0f—— austenite finish temperature