形状记忆合金论文

形状记忆合金

摘要：扼要地叙述了形状记忆合金及其机理, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

关键词：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用

引言：有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,这种材料被称为形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,简称为SMA) ,这种能力亦称为形状记忆效应(Shape Memory Effect , 简称为SME) 。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。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,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（Shape Memory Alloys, SMA）是一种在加热升温后能完全消除其在较

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

氏体相变。

一、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。

二、形状记忆效应机理

a) 单程SME b) 双程SME btpsfa 为SME cdcjc 为伪弹性

图1 形状记忆效应示意图图2 形状记忆合金应力—应变—

温度关系示意图图1 直观地示意出合金的形状记忆效应。在T1 温度下,将原来SMA直棒弯曲变形后,加热至T2 ,弯曲棒便逐渐自动变直回冷至T1 ,棒仍保持直的形状。合金的这种在某种条件下经任意方式的塑性变形,然后加热至该种合金固有的某一温度以上,又完全恢复其原来形状的现象, 称为形状记忆效应( SME) 。图1a 中所示为单程SME;如果由T2 冷至T1 时,SMA 棒复又自动弯曲,从而随T 2≒T1 热循环,棒的形状亦发生直≒弯循环现，象,这种现象称为双程SME ,如图2b 所示。可见,合金的SME 是在应力(σ) ———应变(ε) ———温度( T)三维空间中的一种特殊机械行为。这种空间行为见图2 。由于SME 的微观机制与母相P 及马氏体M之间发生的P ≒M 正逆相变密切相关,所以,图2 中的相变温度及应变量等均为重要的SMA 设计参数。其中Ms、Mf 为P →M 正相变开始与终了温度;As、Af 为M →P 逆相变开始与终了温度。Md 温度为在外力作用下,能够诱发P →M 相变的最高温度,高于此温度变形, SMA 的变形行为与普通合金相同,因而,SME 的变形温度Td ≤Md。对于Ni —Ti 、Cu 基等多数SMA ,当满足Af

ε呈非线性,SMA 的这种机械行为称为伪弹性。SMA 的伪弹性与SME 取决于变形温度Td。如果Af < Td < Md ,呈现伪弹性;As < Td < Af 为伪弹性与SME 共有区; Td < As 呈现SME。然而,近年来研制的一些SMA 不论任何温度变形,都不呈现伪弹性。应予指出,与钢在马氏体状态相反,SMA 在马氏体状态很软,故变形非常容易。

三、形状记忆效应的分类

最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang 和Read ,他们通过对AuCd

的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958 年,在铜(CuZn) 中也发现了类似的现象。直到1962 年, 当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti 合金中发现了SME 后,对SMA 冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA 制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME 的合金可归纳为以下几类:

a) Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co) ;

b) 铜系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Cu2Al2Ni ;

c) 其他有色金属系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等;

d) 铁基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不锈钢等。

虽然目前已经发现的形状记忆合金有30 余种。但正式作为商品生产的只有Ni 系和Cu 基两大类。一般来说,Ni2Ti 合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用) 、以及超弹性和制备加工性等都比Cu 基合金优越,但成本较高。Cu 基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。

四、形状记忆效应的应用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

(1)自由回复。SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA) 将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,