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。
cu-基形状记忆合金
cu-基形状记忆合金Cu-基形状记忆合金（Cu-based shape memory alloys，简称Cu-SMA）是一类以铜为主要成分的形状记忆合金。
它们具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗器械等领域。
Cu-基形状记忆合金通常由铜、镍、锌、钛等元素组成，其中铜和镍是主要元素。
Cu-基形状记忆合金的主要性能特点如下：1. 形状记忆效应：在一定的温度范围内，合金发生相变，从而实现自变形和恢复原状的能力。
2. 超弹性：Cu-基形状记忆合金在变形过程中，具有很高的弹性极限和应变恢复能力。
3. 良好的疲劳性能：Cu-SMA在反复变形过程中，具有较低的疲劳极限和良好的耐疲劳性能。
4. 耐腐蚀性：Cu-基形状记忆合金具有较好的耐腐蚀性能，适用于腐蚀环境下的应用。
5. 易于加工：Cu-SMA具有较高的塑性，可以采用传统的金属加工方法进行加工和成型。
根据组成和性能特点，Cu-基形状记忆合金可分为以下几类：1. Cu-Ni系：这是最常用的Cu-基形状记忆合金，具有较好的形状记忆效应和超弹性。
Cu-Ni合金中，镍含量一般在30%-50%之间。
2. Cu-Zn系：Cu-Zn合金具有较高的抗拉强度和耐腐蚀性能，但形状记忆效应相对较差。
锌含量一般在10%-40%之间。
3. Cu-Ti系：Cu-Ti合金具有较高的弹性极限和抗拉强度，但在高温下易发生相变。
钛含量一般在5%-15%之间。
4. Cu-Ni-Ti系：这是近年来发展较快的一类Cu-基形状记忆合金，具有优良的形状记忆效应、超弹性和耐腐蚀性能。
镍和钛的含量分别在30%-50%和5%-15%之间。
Cu-基形状记忆合金在我国的研发和应用取得了显著成果，已成功应用于航空航天、汽车、电子、医疗器械等领域。
未来，随着科学技术的进步和市场需求的增长，Cu-SMA在我国的发展前景十分广阔。
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
形状记忆合金的特点
普通金属材料弹性应变 一般不超过0.5%，而超 弹性 材料的超弹性应 变则达5%-20%。在介 入医 疗领域有超过 80%的产品利用的是N i -T i合金 的超弹性，它 使得合金支架或合金丝 具有良好的柔顺性，可 以与柔软且复杂的人体 内管道很好的贴合。
形状记忆合金的特点
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
形状记忆合金在低于M。 点的温度下进行热弹 性马氏体相变，生成 大量马氏体变体（结 构相同、取向不同）， 变体问界面能和马氏 体内部孪晶界面能都 很低，易于迁移，能 有效地衰减振动、冲 击等外来机械能，因 此阻尼特性特别好， 可用做防振材料和消 声材料。
形状记忆的原理
铁有两种不同的基本晶体结 构，即体心立方铁和面心立方 铁。 这种由相同的原子组成的不 同的晶体结构，在材料学中又 称为不同的“相”。 体心立方铁和面心立方铁属 不同的“相”，前者称为α ~Fe (铁素体)，后者称为 γ~Fe(奥氏体)。
形状记忆合金就是利用一些材料的晶体 结构在改变外界条件时的相互转变来使其 具有形状记忆功能的。
概念及简介
并列
单程记忆效应
双程记忆效应
全程记忆效应
在较低的温 度下变形， 加热后可恢 复变形前的 形状
加热时恢复 高温相形状 ，冷却时又 能恢复低温 相形状
加热时恢复 高温相形状 ，冷却时变 为形状相同 取向相反的 低温相形状
概念及简介 • 1932年由瑞典人Olander在研究Au-Cd合金时首 次观察到“记忆”效应 • 1938年美国哈佛大学A. B. Greninger等美国哈佛 大学A. B. Greninger等在一种Cu-Zn合金中发现 了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的 形状变化。 • 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；形状记忆合金所具有的“形状记忆” 和 “ 超弹性” 两大特殊功能，引起国际材料科学界 的极大兴趣。
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。
形状记忆合金
Air conditioner for heating and cooling (空调)
利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装臵及电器 设备的保安装臵。当发生火灾时，记忆合金制成的弹 簧发生形变，启动消防 报警装臵，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
记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中。1969年 7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆。所用 的直径数米大的天线就是用当时刚刚发明不久的记忆 合 制成的。用极薄的记 金 忆合金材料先按预定要 求做好，然后降低温度
Apollo 11号登月舱
把它压成一团，装进登
月舱。放到月面上后，
在阳光照射下温度升高，
形状记忆效应
形状记忆效应
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。
某些记忆材料例如TiNi合金及Cu基记忆合金经 过一定的特殊处理后，材料可以“记忆”住高 温时的形态，又可“记忆”低温时的形状。当 温度在高温和低温之间往返变化时，材料自行 在两种形状之间变换，这种现象称为双向记忆 效应（Two Way Memory Effect，简写为 TWME）。
三、形状记忆合金的应用(Applications)
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。形状记忆效应应用最简单的例子是外部无 法接触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管 接头，连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外
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
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
x
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
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
形状记忆合金的驱动性能形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能，是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。
形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形[1,2]。
当温加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。
SMA及其驱动控制系统具有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化；集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单，易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。
1 形状记忆合金的驱动原理形状记忆合金的特点主要有：形状记忆效应(Shape Memory Effect，缩写为SME)相变超性性能(Super Elasticity)，弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。
其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。
形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。
如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形，那么将SMA 加热至一定温度后，马氏体就会转为奥氏体，SMA将回复到它刚刚开始时的形状，随后再进行冷却或加热，合金形状都将保持不变。
上述过程可以周而复始，称为单程形状记忆。
此外还有双群形状记忆合金和全方位记忆合金。
这种回复应力可用作结构控制时的驱动力，也可以用来直接控制结构的刚度。
弹性模量随温度变化特性是指，奥氏体SMA在高温下它的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上[7]。
这种特性主要可以用米改变的固有频率，从而避免共振。
2 形状记忆合金驱动器件在结构智能控制中，高性能驱动器件是实现控制的基础。
利用形状记忆合金在加热变形时其回复力可以对外做功的特点，能够做成各种形式的驱动器。
这类驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好，能够满足智能控制的要求。
记忆合金驱动器的驱动力源于合金内部的固态相交，因而易于结构设计，可以在拉伸、压缩、扭转状态下操作。
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
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(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；
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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
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形状记忆合金
形状记忆合金的发现
20世纪60年代初，美国马里兰州海军军 械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。 这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这 些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝 靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金 丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。
形状记忆合金的特点
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。
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、便携电话天线、装饰品等。
形状记忆合金的原料
真正实际中使用的形状记忆合金主要是 TiNi 合金和CuALBe合金，以及在这两种合金中添 加微量元素所组成的合金，因而形状记忆合金 的主要材料是镍、钛、铜、铍青铜等，其产地 分别是我国西部地区的金昌、遵义、白银、石 嘴山等。
合金具有“记忆”的原因
据科学家推测，金属的结晶状态，在被加热时和冷却 时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下， 金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。能引 起记忆合金形状改变的条件是温度。分析表明，这类 合金存在着一对可逆转变的晶体结构。如含有Ti和Ni 各为50％的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形 的，另一种是立方体的，这两种晶体结构相互转变的 温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变 为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变 为菱形结构。晶体结构类型改变了，它的形状也就随 之改变。
铁素体、奥氏体、马氏体
组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下为 具有体心立方晶格结构的α——铁，910℃以上为具 有面心立方晶格结构的Υ——铁。如果碳原子挤到铁 的晶格中去，而又不破坏铁所具有的晶格结构，这样 的物质称为固溶体。碳溶解到α——铁中形成的固溶 体称铁素体。而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则 称奥氏体。奥氏体是铁碳合金的高温相。 钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727℃以下时 变成不稳定的过冷奥氏体。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。由于含碳量过饱和，引起马氏体强度和 硬度提高、塑性降低，脆性增大。
形状记忆合金材料是一 种新型的功能材料，其 特点是在一定的外力作 用下可以改变其形态(形 状和体积)，但当温度升 高到某一定值时，它又 可完全恢复原来的形态。
通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩 来实现人工肌肉的功能。用背部的 金属纤维振动翅膀
形状记忆合金的用途（一）
在航空上的应用—— 月球上的“奇葩”
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）
在医学上的应用
合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手 指的微型机械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋弹 簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线 状的TiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记 忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加 以控制。
形状记忆效应与形状记忆合金
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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）