形状记忆合金ppt
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。
-ppt-形状记忆合金
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
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
第4章形状记忆合金精品PPT课件
其中，应力－应变关系表现出明显的非线性，这种非线性 弹性和相变密切相关，叫相变伪弹性(Transformation Pseudoelasticity)，也叫超弹性。
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
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
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。
形状记忆合金原理PPT课件
2021
14
• 马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称 为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在 奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7）。马氏体形成时和母相
• 的界面上存在大的应变。
• 马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度 开始转变为马氏体，把这温度 标作Ms,加热时马氏体逆 变为母相，开始逆变的温度标为As。它们所包围的面积 称为热滞面积, 相变时的协作形变为范性形变时，一般 热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合 金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚
马氏体
2021
11
变 形 的 三 种 形 式
图3-3 形状记忆效20应21的三种形式
12
Question：
F
上述弹簧是否属于记忆合金？
2021
13
• 补充知识：
• 马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、 增强的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织 命名为马氏体。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20 世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和 合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和 Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前 广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。
•
马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或
顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺
《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 。
- 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)。
7
1.形状记忆合金的发展
8
• 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
9
• 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。
29
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
30
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。
31
• 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。
32
• 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。
33
• 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
34
• 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。
呈现形状记忆效 应过程可逆的形式进行， 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。
20
• 以上条件根据早期形状记忆材料的特征而提出，
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
16
• 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。
伪弹性应力应变示意图
23
• 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。
• 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
6
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。
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。
4
形状记忆效应实验
原始形状
拉直
加热后恢复变形 前形状
5
• 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。
• 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
21
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。
• 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。
11
• 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。
10
• 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。
3
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。
22
• 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。
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
2
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
26
• 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。
28
• 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。
钢的马氏体转变
15
• 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℃。
CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变 (马氏体长大)
17
• 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)
18
27
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