形状记忆合金ppt

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形状记忆合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度)点
合金
AgCd
成分
11-49at%Cd
Ms点/℃
-190/-50
合金
InTi
成分
18-23at%Ti
Ms点/℃
50/100
AuCd
CuAlNi CuAuZn CuSn CuZn
46.5-50at%Cd
14-14.5at%Al, 3-4.5at%Ni
• 具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。
形状记忆合金材料
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目前，人们对形状记忆效应的物理本质和各种 影响因素已经有了较为清晰的认识，形状记忆 合金已被确认为一种热驱动的功能材料，人们 利用其形状记忆效应，在仪器仪表、电器、自 动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程及 机器人等领域之中实现广泛应用。
钢的马氏体转变
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• 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 200℃左右，形状记忆合金的过冷度为5-30℃。
马氏体相和母相化学 自由能差随温度变化 与马氏体相变的关系
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• 在低于 Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的弹性 变形是随着马氏体片长大而增大的。 • 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等能量消 耗的增加与相变化学自由能的减少相等，马氏体和母 相之间达到一种热弹性平衡状态，马氏体停止长大。 • 热效应和弹性效应之间的平衡态就是热弹性的由来。
• 随着形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全 具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。 • 不但温度场、应力场可以诱导形状记忆效应，磁 场也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。
热诱导形状记忆合金 磁诱导形状记忆合金
Magnetic field
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相变伪弹性和超弹性
• 外加应力也可引起马氏体消长。这样形成的马氏 体叫应力诱发马氏体，随应力增加或减小，马氏 体也相应长大或缩小。 • Af 温度以上的马氏体只在应力作用下稳定，合金 在 Af 以上进行拉伸，应力除去后，应力诱发马氏 体当即逆转变为稳定母相，相变引起的变形即行 消失。这种不通过加热即恢复到原先形状的相变 ，看起来像弹性变形，但其应力应变曲线是非线 性的，因此称为相变伪弹性，当其应变完全恢复 时称为相变超弹性。
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• TiNi 合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记 忆性能最好的合金材料。 TiNi 合金由于强度高、 塑性大、耐腐蚀性好、稳定性好，尤其是特殊的 生物相容性，得到广泛应用，特别是在医学上的 应用是其它形状记忆合金所不能替代的。
• 为使形状记忆合金得到应用，其经济性是一个重 要因素。铜基合金价格仅为 TiNi 合金的 l/10 ，人 们希望用它作为 TiNi 合金的替代品，其中研究最 多的是 CuAlNi 合金和 CuZnAl 合金。但是，铜基合 金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等比 TiNi 合 金差。因此，在性能要求不高、反复使用次数少 ，特别是要求降低成本的情况下使用Cu基合全。
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• 双程记忆效应：若加 热时，恢复高温相形 状，冷却时恢复低温 相形状，即通过温度 升降自发可逆地反复 恢复高低温相形状的 现象称为双程记忆效 应，又称可逆记忆效 应。
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• 全程形状记忆效应：这 是一种加热时恢复高温 形状，冷却时变为形状 相同而取向相反的高温 相的现象。这种现象只 有在Ni的原子含量不小 于50.5％且又经过时效 的Ti-Ni合金中出现。
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• 把受过强迫时效的四条薄带在其中心位置上以 45 度的 夹角捆扎在一起。如 a 所示，在约 100℃开水中呈现具 有凸透镜曲率的近圆形。 • 从开水中缓慢提起来时自行变化成b形状。 • 当从热水中完全提上来且于室温下时,变化成近直线形 状 c。
TiNi合金的全程记忆效应 100℃-室温
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• ac 之间的自发形状变化是由马氏体的相变导致。接 着浸泡在冰水中时，在下部开始呈现凸透镜曲率， 变化成d形状。 • 在干冰-酒精液中冷却到约 -40℃时变化成 e形状，同 a相比完全是其相反的形状， • 然后再次返回到开水中时立刻变化成 f形状，其形状 与a完全相同。
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。
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形状记忆效应实验
原始形状
拉直
加热后恢复变形 前形状
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• 形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料 (通常 是具有热弹性马氏体相变的材料 )，在某一低温下 ( 处于马氏体状态 ) 进行一定限度的塑性变形后， 通过加热到某一温度 (通常是该材料马氏体消失温 度Mf)时，材料完全恢复到变形前的初始形状。
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3.形状记忆合金的分类
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合金成分
• 呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系就有 10 种以上，如果把相互组合的合金或者添加适 当元素的合金都算在内，则有 100种以上。但是 ，其中得到实用的只有 Ti 基合金、 Cu 基合金以 及 Fe 基合金。其余合金则因为有些化学成分不 是常用元素而导致价格昂贵，或者有些只能在 单晶状态下使用，因而不适于工业生产。
形状记忆效应原理
• 形状记忆合金在一定范围内发 生塑性变形后，经过加热到某 一温度之上，能够恢复变形， 其实质是热弹性马氏体相变。 形状记忆合金低温相为马氏体 ，柔软且易变形；高温相为奥 氏体，比较硬。冷却过程中， 母相会转变为孪晶马氏体，在 外应力下容易变形成某一特定 形状；加热时，已发生形变的 马氏体会回到原来奥氏体状态 。这就是宏观形状记忆现象。
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• 低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。
• 1962 年，美国海军军械研究所将 NiTi 合金作为对 温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项 研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成 的细丝一端弯曲，然后在点燃手中雪茄时，忽然 发现靠近火焰部分的细丝伸直了。 • 1963 年，军械研究所宣布在 NiTi 合金丝中发现了 形状记忆效应。
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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。 • Fe-Ni-Co-Ti合金，预变形超过2%后形状记忆效应 下降到40%以下。
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பைடு நூலகம்
1.形状记忆合金的发展
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• 形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。
• 德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温区 淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无 扩散形状转变为体心立方结构，得到的组织以他 的名字被命名为马氏体。
钢的淬火
板条马氏体
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• 1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金 中发现了马氏体的热弹性转变；随后，俄罗斯的 库究莫夫对这种行为进行了研究。他们的研究在 当时并没有受到世界的重视。 • 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InTi合 金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵 ，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状 记忆合金。
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• 伪弹性仅与应力诱发相变和 热弹性相变有关 • AB 段代表马氏体相的纯粹弹 性变形。 • B 点为应力诱发马氏体的最小 应力，到 C点相变结束。 BC 段 代表奥氏体向马氏体转变后 应变增加；其斜率远小于 AB 段，说明相变容易进行，
• CD 段表示相变结束后在应力 作用下马氏体发生弹性变形 。在 D 点马氏体开始屈服并发 生塑性变形直到E点断裂。
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。
CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变 (马氏体缩小)
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形状记忆效应
• 形状记忆合金的形状记 忆效应按形状恢复情况 可以分为三类： • 单程形状记忆效应 • 双程形状记忆效应 • 全程记忆效应
形状记忆效应的三种形式 (a)单程(b)双程(c)全程
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单程记忆效应：将母相 在高温下制成某种形状 ，再将母相冷却或加应 力，使之发生马氏体相 变，然后对马氏体任意 变形，再重新加热至As 点以上，马氏体发生逆 转变。当温度升至Af点 ，马氏体完全消失，材 料恢复母相形状，而重 新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。
15at%Sn 38.5-41.5at%
2.形状记忆合金的原理
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热弹性马氏体相变
• 钢在高温奥氏体相区淬火 时，原来的面心立方点阵 的奥氏体晶粒内以原子无 扩散形式转变成体心立方 的马氏体，这就是钢的马 氏体相变。 • 把马氏体开始相变开始和 相变结束的温度分别表示 为 Ms 和 Mf ，把马氏体逆相 变 ( 转变成奥氏体 ) 的温度 分别表示为As和Af。
纳米材料与新材料
Nanometer-Materials & New Materials and （5）
材料科学与工程学院
第五讲 形状记忆合金
Shape Memory Alloy
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主要内容
形状记忆合金的发展
形状记忆合金的原理
形状记忆合金的分类
形状记忆合金的制备 形状记忆合金的应用
呈现形状记忆效 应过程的示意图
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为了使形状恢复以完全可逆的形式进行， 需要具备下列条件: (1)马氏体相变是热弹性； (2)母相和马氏体呈现有序的点阵结构； (3)马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构 只能由孪晶和层错组成； (4)马氏体相变在晶体学上是可逆的。
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• 以上条件根据早期形状记忆材料的特征而提出，
30/100
-140/100 -150/100 -120/30 -180/-10
NiAl
TiNi FePt FePd MoCu
36-38at%Al
49-51at%Ni 25at%Pt 30at%Pd 5-35at%Cu
-100/100
-50/100 /-130 /-100 -250/180
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23-28at%Au 45-47at%Zn
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TiNi合金与CuZnAl合金性能对比
合金类型
恢复应变 恢复应力 循环寿命 耐蚀性 加工性 记忆处理
TiNi合金
最大8% 最大400MPa 105(ε=0.02) 107(ε=0.005) 良好 不良 较易
CuZnAl合金
最大4% 最大200MPa 102(ε=0.02) 103(ε=0.005) 不良，有应力腐蚀破坏 不太好 相当难
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前言 金属具有记忆能力，乍听起来令人不可思议。然而 ，人们确已获得了这种具有“记忆能力”的金属 (Shape Memeory Alloy) 。人们把 SMA 合金做成花、 鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入不太热的水中， 一瞬间，花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动，并且 栩栩如生，真如魔术般使人惊叹，这些都是形状记 忆合金特异功能的显示。
伪弹性应力应变示意图
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• 在D点之前应力被取消，例如在 点 C’ ，对应的应变为εc ，则通 过几步应变可恢复： • 首先发生马氏体的弹性恢复， 如C’F段所表示。 • F点对应的是卸载过程中应力诱 发马氏体能够存在的最大应力 ，在该点开始发生马氏体向奥 氏体的逆相变，随后马氏体量 不断减少直到奥氏体完全恢复 (G点)，即FG段表示马氏体向奥 氏体转换后引起的应变恢复， • GH段表示奥氏体的弹性恢复。
• NiTi 合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀好、成本 相对低廉等许多特点而引起极大关注。
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• 1970年人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也 发现形状记忆现象，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。 • 以此为转折点，迄今人们己在许多合金中相继发 现这种现象，如表所示。 • 现在，人们发现有机弹性材料，甚至陶瓷，都可 具有形状记忆的功能。