马氏体可逆转变和形状记忆效应
形状记忆合金的性质,应用及效应机制
片状马氏体
板条马氏体
针状马氏体
马氏体相变：
它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 转变为马氏体的过程。
可 以 恰 当 而 简 练 的 定 义 为“ 原 子 联 动 所 引 起 的 切 变 型 点 阵 相 变 ”。母 相 中 的 原 子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常 小 ，因 而 逆 相 变 时 母 相 变 体 完 全 固 定 不 变 。这 样 一 来 ，逆 相 变 时 必 然 选 取 原 位 向 的 母 相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出 现 滑 移 ，由 滑 移 导 致 的 变 形 即 使 加 热 也 消 除 不 了 。热 弹 性 马 氏 体 相 变 发 生 的 不 是 滑 移 ， 而 是 另 一 种 基 本 的 形 变 机 制 — — 孪 生 。从 微 观 上 看 ，晶 体 原 子 排 列 沿 某 一 特 定 面 镜 像 对 称 。那 个 面 叫 孪 晶 面（ 孪 晶 是 指 两 个 晶 体（ 或 一 个 晶 体 的 两 部 分 ）沿 一 个 公 共 晶 面 构 成 镜 面 对 称 的 位 向 关 系 ， 这 两 个 晶 体 就 称 为 " 孪 晶 " ， 此 公 共 晶 面 就 称 孪 晶 面 ）。 即 实 际 上 它 是 由 位 向 互 为 孪 晶 关 系 的 两 种 马 氏 体 区 构 成 ，每 一 个 马 氏 体 和 母 相 点 阵 之 间 具 有 晶 体 学 上 等 价 的 特 定 点 阵 对 应 关 系 。这 种 具 有 点 阵 对 应 关 系 的 每 个 马 氏 体 称 为 对 应变体。
马氏体相变与形状记忆效应
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二．形状记忆效应的晶体学机制
• 形状记忆合金有三个特征： – 合金能够发生热弹性马氏体相变； – 母相和马氏体的晶体结构通常均为有序的(所谓有序结构, 即溶质原子在 晶格点阵中有固定位置)； – 母相的晶体结构具有较高的对称性，而马氏体的晶体结构具有较低的对 称性．
• 当母相是B2型有序结构时，马氏体的晶体结构可看成是以图4-5 a) 第一行所 示（下页）的密排面为底面沿z方向按一定方式的堆垛. – 为保证密排堆垛结构，堆垛时必须按照以下的规则：若第一层的原点在A， 则第二层的原点可放在B或C . 若第二层的原点在B，则第三层的原点可 放在A或C，以此类推. • 当堆垛的顺序是ABABAB…时是2H结构 . • 当堆垛的顺序是ABCABC…时是3R结构. • 当堆垛的顺序是ABCBCACABABCBCACAB…时是9R结构，如图45b)所示 .
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因此，记忆合金能够回复的最大变形不能超出马氏体完全再取向后所能贡 献出的相变应变．
• 如果马氏体完全再取向后继续施加外力，马氏体将以滑移和孪生的形式继续 变形，这时发生的变形是不可回复的塑性变形．组织中出现位错、形变孪晶 等晶体缺陷，破坏合金的热弹性马氏体相变，损害形状记忆效应．
三．应力诱发马氏体相变与记忆合金的超弹性
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• 双程记忆训练：通过各种工艺处理方法在合金内部产生特定的内应力场，使 合金具有双程记忆效应．
• 双程记忆训练方法主要有： (1)SIM法：在母相态对记忆合金元件施加变形． (2)SME法：在马氏体态对记忆合金元件施加变形． (3)SIM+SME法：在母相状态下进行变形，约束其应变，冷却到Mf点以 下；或在马氏体状态下进行变形，约束其应变，加热 到Af点以上．也可将这二者结合起来． (4)约束ห้องสมุดไป่ตู้热法：将试样变形，约束其变形并在合金析出第二相的温度进 的行适当的加热．
材料工程基础讲稿8
出现热弹性M旳必要条件是界面共格联络未被破坏。热 弹性M旳三个基本条件是：
①母相和M旳比容要小，因比容小，弹性应力也小； ②母相旳弹性极限要高，因弹性极限高靠切应变维持旳 第二类共格联络不易被破坏； ③母相应呈有序化状态，因有序化程度愈高，原子排列 规律性愈强，愈轻易维持共格联络。除极个别合金外，几 乎全部热弹性马氏体旳母相均呈有序态。有序化程度愈 高，Ms与As愈接近，热滞愈小。
3．伪弹性 温度升降引起热弹性M片旳消长，外加应力旳变化一样也能够引
起M片旳消长。随应力增长，M片长大，随应力减小，M片缩小。 因为由外力促发旳M片往往具有相同旳空间取向，故M片旳长大， 即随M量旳增长将伴随宏观旳形状变化。形状记忆合金在某一恒定 温度下进行拉伸，拉伸曲线随应力旳增长，最初出现旳是极少旳弹 性变形，后来因为发生了某一取向旳M转变，使试样产生附加应 变，即产生宏观旳弹性应变；当外力消除， 首先发生旳是弹性回复，随即发生旳逆 转变使由M转变而引起旳附加应变得以回复。 由应力诱发M定向转变所产生旳应变 ——伪弹性。
在降低温度时，驱动力不小于阻力，使共格边界未遭破坏旳M继 续
长大，直至到达新旳平衡。当温度回升时，随母相与M自由焓差旳 减小，为使系统自由焓降低，界面能与弹性能将提供驱动力使M片 缩小，逆转变为母相。如在冷却转变时无不可逆旳能量消耗（如塑
性变形），则转变无热滞。如存在少许不可逆能量消耗，则转变将
有热滞，但极小——仅十几至几十摄氏度。
5．高碳马氏体旳显微裂纹 高碳钢在淬成透镜片状M时，经常在M片边沿以及M片与片旳交接
处出现显微裂纹。原因是因为片状M形成时旳相互碰撞或与A晶界 相撞所产生旳。M旳形成速度极快，相互碰撞时将因冲击而形成相 当大旳应力场，高碳M又很脆，不能借助塑性变形来松弛应力。故 极易在相互碰撞时发生开裂。这种显微裂纹既可能穿过M片，也可 能沿M旳边界出现——给钢带来附加脆性，在应力作用下有可能成 为现成旳裂纹源而使疲劳寿命明显下降，也有可能扩展成宏观裂纹 并造成断裂。
马氏体相变的名词解释
马氏体相变的名词解释马氏体相变是固态材料在经历加热后，发生固态相变形成马氏体的一种自发性相变过程。
这个过程是由于固态材料中的结构发生了变化，从而导致其宏观性质发生显著改变。
马氏体相变是一种重要的材料科学研究领域，具有广泛的应用价值，特别是在材料加工、制造以及机械、电子等领域。
马氏体是一种具有特殊晶体结构的金属或合金相。
通过马氏体相变，材料的原子排列发生变化，从立方晶系转变为正交晶系，这种转变导致了材料在微观尺度上的形变。
马氏体相变在材料中的应用包括增加材料的硬度、降低材料的延展性、改变材料的导电性等。
马氏体相变过程可以通过控制材料的组成、冷却速率以及外加应变等手段来实现。
根据不同的材料组成和处理方式，马氏体相变可以分为多种类型，如亚稳的马氏体相变、稳定的马氏体相变等。
亚稳的马氏体相变具有可逆性，即可以通过加热使马氏体再次转变为原有的相，而稳定的马氏体相变则是不可逆的，材料无法通过加热来回复到原有的相。
马氏体相变的研究在金属、合金和陶瓷等材料中广泛进行。
研究者们通过实验和理论模拟等方法，探索材料的晶体结构和其相变机制。
他们研究材料的组成、热处理条件以及外部应力对马氏体相变的影响，并尝试开发新的材料设计和加工方法来改变马氏体相变的性质。
在材料科学领域，马氏体相变被广泛应用于制造高强度材料、形状记忆合金和超弹性材料等。
高强度材料通过马氏体相变提高了材料的硬度和强度，在制造领域具有重要的应用价值。
形状记忆合金则是一种具有记忆效应的特殊合金材料，可以通过马氏体相变来实现形状的记忆和恢复。
超弹性材料具有很高的弹性形变能力，可以通过马氏体相变来实现材料的超大形变。
总结来说，马氏体相变是固态材料在加热过程中发生的一种自发性相变，其通过改变材料的晶体结构和原子排列来实现材料性能的改变。
马氏体相变对于材料科学的发展具有重要的意义，它在材料制造、加工以及电子等领域的应用也呈现出广阔的前景。
研究者们将继续在这一领域进行深入研究，以推动材料科学的发展和创新。
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）是一种具有特殊形状记忆性能的金属合金材料，它可以在受到外部刺激后恢复到其原始形状。
这种材料在工程、医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景，因此其原理和特性备受关注。
形状记忆合金的原理主要基于固态相变和晶体结构的特殊性质。
在常温下，形
状记忆合金处于一种称为马氏体的相态，此时材料呈现出一种特定的形状。
当受到外部力或温度变化等刺激时，马氏体会发生相变，转变为奥氏体相，从而使材料发生形状变化。
一旦外部刺激消失，材料又会恢复到原始的马氏体相态，恢复原来的形状。
形状记忆合金的这种特殊性质主要源于其晶体结构的特殊性。
在马氏体相态下，形状记忆合金的晶体结构呈现出一种扭曲的形态，这种扭曲结构使得材料能够存储和记忆原始形状。
当马氏体发生相变为奥氏体时，晶体结构重新排列，从而导致材料形状发生变化。
而当外部刺激消失时，晶体结构又会重新排列回马氏体相态，使得材料能够恢复原来的形状。
除了形状记忆性能，形状记忆合金还具有超弹性和耐腐蚀等优良性能。
这使得
它在医学领域有着广泛的应用，例如用于支架和植入物等医疗器械。
在航空航天领域，形状记忆合金也可以用于制造具有自修复功能的材料，提高材料的使用寿命和安全性。
总的来说，形状记忆合金的原理基于固态相变和晶体结构的特殊性质，使得它
具有形状记忆、超弹性和耐腐蚀等优良性能。
这种材料在工程、医学、航空航天等领域有着广泛的应用前景，对于推动材料科学和工程技术的发展具有重要意义。
马氏体相变与形状记忆效应讲解
Gc P→M
右图中:T0是母相与马氏体相 吉布斯自由能相等的温度， 即两相处于平衡的温度．
马氏体形成：驱动力必须 克服相变阻力，即： －Gc P→MGnc P→M + Gs 即相变要有过冷度．
马氏体转变开始的温 度：Ms．
2
• 对于一些材料，如钢，相变时应变能等相变阻力较高，需要很大的过冷度. • 有一些合金，相变阻力较小，相变时应变能在合金的弹性应变能范围内, 只需
施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象．
第一节 马氏体相变与形状记忆效应
一．热弹性马氏体相变与形状记忆效应
• 合金形状记忆效应实质：在温度和应力作用下，合金内部热学，马氏体相变的自由能变化为：
G(T) P→M = Gc P→M + Gnc P→M + Gs
• 马氏体对称性低，{128}晶面组的各个晶面不等效， <2 1 0>晶向组的各个晶 向也不等效.
• 由马氏体逆转变回母相时，没有多个1等效的取向关系．马氏体只能按其在母 相中形成的取向关系逆转变回母相．这样，马氏体逆转变完成后，母相在晶 体学上回复到马氏体相变前的状态．这一晶体学上的回复以及相变热力学上 的可逆性是形状记忆效应的基础．
7
对于Cu-Zn-Al合金，母相与马氏体间取向关系：
(1 1 0)P //(12 8)M
[111]p // [ 210]M，
(110)p偏离(001)M约4°
8
• 母相具有立方晶系高对称性: – {110 }晶面组的6个晶面: (110), (1 1 0) , (101), (10 1) , (011), (01 1) 等效; – <1 1 1>晶向组的4个晶向：[111]、[1 1 1]、[1 1 1]、[11 1] 等效. – 按六个等效晶面、四个等效晶向组合，共有24个等效取向关系. – 单晶母相中形成马氏体时，马氏体按这24个等效取向关系形成，获得24 个不同位向的马氏体，每个位向的马氏体称为马氏体的一个变体．
功能材料学教案-第05章 形状记忆合金
第05章 形状记忆合金人们在研究近等原子比的Ti.Ni 合金时发现，原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高 到一特定值时它又恢复到原来的形状。
人们把这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect, SME ）,把具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA ）0形状记忆现象的发现最早可追溯到1932年，人们在研究Au-Cd （镉，音格）合金时， 第一次观察到马氏体能够随着温度的变化而连续地缩小和长大；到了 20世纪50年代初，美 国人分别在Au.Cd 和In.Tl （铭，音它）合金中观察到了形状记忆效应，但形状记忆效应一 直没有获得实际应用。
直到1963年，布赫列（WJ.Buehev ）等人发现近等原子比的Ti-Ni 合金具有良好的形状记忆效应以后，TiNi 合金才作为实用的形状记忆合金进入了市场。
5.1形状记忆效应及其原理5.1.1两个术语——热弹性马氏体和应力弹性马氏体1. 热弹性马氏体（M —Ms ——A.——A f ）热弹性马氏体是一种能够进行可逆转变的马氏体。
也就是说，冷却时，高温相（母相） 发生马氏体转变，形成马氏体；加热时，马氏体不会像钢铁中的马氏体那样发生分解，而是 直接转变为高温相（母相）。
它的另一个特点是，在冷却或加热过程中，马氏体会随着温度 的变化而连续地长大或收缩，母相与马氏体的相界而可进行弹性式的推移。
也就是说，马氏 体片能随温度下降逐渐长大；温度回升时，马氏体片又能随温度上升而逐渐缩小，通常把这 种马氏体就叫做热弹性马氏体。
大部分形状记忆合金的形状记忆机理与愁理性旦氐遂的可逆相变密切相关。
通常把高温 相向马氏体转变的开始和终了温度分别称为Ms 和M f ；把马氏体向高温相逆转变的开始和终 了温度分别称为A 和A”（As 一般总是高于A.通常才巴ArMs 称为相变温度滞后,热弹性 马氏体一般是相变温度滞后较小的马氏体，一般仅十几摄氏度至几十摄氏度。
弹性马氏体和形状记忆效应
记 忆 效 应
某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形 状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记 忆效应的材料称为形状记忆材料。
三种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效 应和全程形状记忆效应。如图8.4。
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(或可逆)形状记忆效应.
UJS—Dai QX
A的数值应当小，使应变能尽可能的低 母相具有高的屈服强度，也有利于弹性协调
比
热弹性M相变时，M长大有一种化学力和弹性力间
喻 的平衡。就象弹簧，拉力和弹力有瞬时的平衡
冷却:ΔGV↑，M长大，→ΔGE与ΔGV平衡为止；
过
加热: ΔGV↓，因ΔGE是弹性的，→M缩小。
程
界面始终保持规则共格关系。这种能来回移动的
马氏体弹性应变能可以用一个马氏体片的体积乘以单位 体积应变能来表示，即：
Ge
4r2cAc
3
r
A 8 ( (1 2 ))2 4e n 2 (2 e n 2)
式中，μ为切变模量，ν为泊桑比，γ为切变分量，en 是
膨胀分量, r 、c分别为马氏体片的半径和半厚
UJS—Dai QX
弹性 协调
伪弹性% 2 1 100% 2
如图8.9所示: 若ε1=ε2，伪弹性为0，没有伪弹性； 若ε1=0，则没有永久变形，是完全的伪弹性； ε1越小，弹性越好。
UJS—Dai QX
产生塑性变形临界值
在不同温度下的临界值 产生伪弹性临界值
图 形状记忆效应、相变伪弹性和应力之间的关系
UJS—Dai QX
7.2 热弹性马氏体相变能量学
图 Au-47.5Cd和Fe-30Ni（质量分数）合金马氏体相变热滞
Au-47.5Cd: As - Ms=16℃;
马氏体相变的基本特征
马氏体相变的基本特征引言马氏体相变是指固体材料经过快速冷却或机械应力作用后，在普通的冷处理条件下发生的晶体结构相变现象。
马氏体相变具有广泛的应用背景，在材料科学和工程领域具有重要的意义。
本文将从马氏体相变的定义、形成机理、基本特征以及应用方面进行探讨。
马氏体相变的定义马氏体相变是指固体材料在冷却过程中经历组织相变，从高温相变为低温相的过程。
这种相变过程是一种固态相变，属于无序到有序的结构转变，通常发生在低温下。
马氏体相变的特点是快速、均匀和可逆的。
马氏体相变的形成机理马氏体相变的形成机理主要涉及晶格畸变、原子扩散和位错运动等过程。
通常情况下，当固体材料经历冷却过程时，晶格会发生畸变，从而形成新的有序结构。
这种畸变能够通过原子的扩散来进行传播，并且位错运动也会促进马氏体相变的形成。
马氏体相变的基本特征马氏体相变具有以下几个基本特征：1.快速性：马氏体相变是一个快速的相变过程，通常在毫秒至微秒的时间尺度内发生。
这种相变速度快的特点使得马氏体相变在某些应用中具有重要意义，比如形状记忆合金。
2.可逆性：马氏体相变是可逆的，即当加热到一定温度时，马氏体又会重新转变为高温相。
这种可逆性使得马氏体材料可以多次进行相变过程，具有重复使用的特点。
3.形状记忆效应：马氏体相变材料具有形状记忆效应，即在经历应力作用后，材料可以保持其原来的形状。
这种形状记忆效应使得马氏体相变材料在机械领域有广泛的应用，比如医疗器械和航空航天。
4.结构转变：马氏体相变是由无序的高温相向有序的低温相转变的过程。
在相变中，晶格结构会发生改变，从而影响材料的力学性能和磁性能等。
马氏体相变的应用马氏体相变具有广泛的应用背景，主要包括以下方面：1.形状记忆合金：马氏体相变材料在形状记忆合金中有广泛的应用。
形状记忆合金可以通过调控温度或应力来改变其形状，并且具有良好的可逆性和稳定性。
这种特性使得形状记忆合金在医疗器械、汽车工业和航空航天等领域有广泛的应用。
马氏体的动态相变特征
马氏体的动态相变特征
马氏体是一种具有特殊相变特征的材料，其动态相变过程引人注目。
当马氏体处于高温相（奥氏体）时，它的晶格结构呈现出一种规则的立方晶系。
然而，当温度降低到马氏体的临界温度以下时，它会经历一个非常快速而引人注目的相变过程。
这种相变过程可以被描述为一种自发的、可逆的结构改变。
在这个过程中，马氏体从高温相转变为低温相（马氏体相），并伴随着晶格结构的不可逆性改变。
这种相变是由于奥氏体相中的晶格结构发生了微观位错的重排，形成了一种新的晶格结构。
马氏体的相变过程具有快速性和可逆性的特点，这使得马氏体在材料工程领域具有广泛的应用价值。
例如，马氏体的相变过程可以用于制备形状记忆合金材料。
在这种材料中，马氏体相的形状可以通过改变温度来控制，从而实现材料的自动变形。
马氏体的相变过程还可以用于制备超弹性材料。
在这种材料中，马氏体相的结构改变可以吸收外界应力，并在应力消失后恢复原状，从而实现材料的超弹性行为。
马氏体的动态相变特征不仅在材料工程领域有着重要的应用，还在生物医学领域具有潜在的应用价值。
例如，马氏体相变可以用于制备可控释放药物的微型输送器件。
通过改变马氏体相的结构，可以控制药物的释放速率和释放量，从而实现精确的药物输送。
马氏体的动态相变特征具有广泛的应用价值，并在材料工程和生物医学领域得到了广泛的研究和应用。
通过进一步深入研究马氏体的相变机制和调控方法，我们可以进一步发掘其潜在的应用价值，并为材料科学和生物医学领域的发展做出贡献。
记忆合金的原理
记忆合金的原理记忆合金是一种具有特殊记忆能力的材料，它可以在受到外界刺激后发生形变，并在刺激消失后恢复到其原始形态。
这种材料的原理可以归结为两个关键概念：形状记忆效应和超弹性效应。
形状记忆效应是指记忆合金在受到外界刺激后，能够从其变形状态恢复到其原始形态。
这一效应源于记忆合金晶体结构的特殊之处。
记忆合金通常由两个或更多种金属元素组成，如镍钛合金（Nitinol）。
在记忆合金的晶体结构中，存在两种不同的相态，即奥氏体相和马氏体相。
奥氏体相具有高温下的稳定结构，而马氏体相则具有低温下的稳定结构。
记忆合金在高温下会呈现奥氏体相，而在低温下则会转变为马氏体相。
当记忆合金处于高温状态时，其晶体结构处于奥氏体相，此时材料具有良好的可塑性和可加工性。
但是，当记忆合金被快速冷却至低温时，晶体结构会发生相变，转变为马氏体相，并且会发生形状记忆效应。
在这个过程中，记忆合金会发生形状变化，例如被拉伸的记忆合金条可以被弯曲成任意形状。
当外界刺激消失后，记忆合金会通过加热恢复到高温状态，此时晶体结构再次转变为奥氏体相。
在这个过程中，记忆合金会回到其原始形态，恢复到之前的拉伸状态。
这种形状记忆效应使得记忆合金在很多领域都有广泛的应用，例如医疗领域的支架和矫形器、航空航天领域的舵面和襟翼、汽车领域的阀门和传感器等。
超弹性效应是记忆合金的另一个重要特性。
在记忆合金的马氏体相中，存在一种特殊的应力诱导相变现象，即当记忆合金受到外界应力时，会从马氏体相转变为奥氏体相。
这种相变会导致记忆合金发生弹性形变，即使在大应力下也不会发生永久形变或破坏。
超弹性效应使得记忆合金具有出色的抗形变和回弹能力，可以在受到外界应力后迅速恢复到其原始形态。
这种特性使得记忆合金在航空航天领域的减震器和阻尼器、医疗领域的支架和植入物等方面有着广泛的应用。
总的来说，记忆合金是一种具有特殊记忆能力的材料，其原理基于形状记忆效应和超弹性效应。
这些特性使得记忆合金在医疗、航空航天、汽车等领域有着广泛的应用前景。
马氏体的性能
形状记忆合金可分为单
程和双程记忆合金
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所谓形状记忆效应实质上是指将完全或部分M相变 的试样加热到Af以上时，则其恢复到原来母相状态所给 予的形状。其原因是：由于变形所引起的组织上的变化， 因可逆转变而完全消除，换句话说，只有逆转变使变形 完全消除时才能看到该合金的形状记忆效应。
变形方式如何对于形状记忆效应是很重要的，在具 有热弹性M可逆转变的合金中，M内部的变形方式为孪 生变形，M和母相间的变形体现为M本身的长大和收缩， 即两者均以界面移动的方式发生变形，这种界面的后高 移动容易导致原来位向的完全恢复，而产生形状记忆效 应。
的相变行为也有很大的差别。
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这两种合金的共同特点：
急冷或急热均不能抑制转变的进行，在连续冷 却时，转变量随温度的变化都是连续的，即转变量 是温度的函数，符合降温形成M动力学的一般规律。 在Ms以下两种合金M的长大方式有差明显的差别：
1、非热弹性M：连续冷却时新M片不断形成，每 一片M都是突然出现，并迅速长大到极限尺寸，相 变速率是由形核率及每一片M长大后的大小决定的， 而与M片长大速度无关。
钢的M相变塑性850℃A
化,Ms为307 ℃,A的屈服
强度为137MPa
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近年来的研究工作表明，M相变诱发的塑性还可 以显著提高钢的韧性。
0.6%C-9%Cr-8%Ni-2%Mn
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•原
因
1、由于塑性变形而引起的局部区域的应力集中， 将由于M的形成而得到松驰，因而能防止微裂纹的形 成，即使微裂纹已经产生，裂纹尖端的应力集中也会 因M的形成而得到松驰，故能抑制裂纹的扩展，从机 时使塑性和断裂韧性得到提高；
材料科学基础马氏体转变
A－C原子进入正八面体中心，点阵对称膨 胀M－C原子进入扁八面体中心，畸变偶极应力 场硬化要素
间隙固溶强化作用；晶界、位错、孪晶的强 化作用；C原子团簇的位错钉扎作用
固态相变
马氏体的塑性和韧性与其含碳量、组织形态 及亚结构密切相关。一般地，铁碳合金中， w(C)<0.3%，形成板条M，塑性和韧性好； w(C)> 1.0%,形成片状M,塑性和韧性差； 0.3－1.0%C之间形成板条M+片状M的混 合组织,可能获得良好强韧性。
固态相变
固态相变
(112)f K-S二次切变
N-W二次切变
3.G-T机制
固态相变
4. 晶体学表象理论
（Wechsler-Read-Lieberman, WLR理论）
不解释原子如何移动导致相变，而只根据转变起 始和最终的晶体状态，预测马氏体转变的晶体学 参量。 前提条件：惯习面为不变平面
(1)通过Bain形变得到马氏体点阵 (2)为得到无畸变的惯习面，需引入一个适当的 点阵不变切变，这种点阵不变切变可以通过微区 滑移或孪生实现。 (3)进行整体的刚性旋转使非畸变平面恢复到初 始的位置。
四、马氏体转变化曲线 临界化学驱动力：
DGT =Ms = DS (T0 - MS )
马氏体转变在较大的过冷度下才能发生 原因：M转变将引起形状和体积变化，产 生很高的应变能。只有相变驱动力大得足 以克服因高应变能所造成的相变阻力，新 相才有生长的机会。
固态相变
六、马氏体相变表象理论
1. Bain模型 z=z’
x’ x
固态相变
y y’
固态相变
K－S关系
2. K-S和N-W机制
点阵以(111)f为底面，按ABCABC的次序 自下而上堆垛。 切变进行步骤：
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
2
(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；
3
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
马氏体的微观结构及强化机理
马氏体的微观结构及强化机理
马氏体是一种在固溶度中形成的金属晶体结构，其微观结构由层状的针状氢化铁原子组成。
马氏体的形成是由固溶度中的原子重新排列所引起的。
在冷却或应变加载过程中，一些晶格原子会以固溶度的形式陈列在其他晶格原子周围，形成针状氢化铁结构，并形成脆性晶体结构。
马氏体的强化机理有以下几个方面：
1. 固溶度限制：在金属合金中，通常会加入一些元素来限制固溶度范围，使其形成马氏体结构。
这种限制会导致晶体中的原子重新排列，形成马氏体。
2. 基体约束：形成马氏体时，会导致基体的晶格畸变，产生内应力，这些内应力会在加载过程中阻止马氏体的移动和扩展，从而增强材料的强度。
3. 相变位能储存：马氏体转变中伴随相变位能的储存和释放，使得材料具有良好的回弹性和形状记忆效应，从而提高了材料的强度和韧性。
4. 细化晶界：加入一些合适的合金元素或通过热处理等方法，可以细化马氏体晶粒的尺寸，从而提高材料的强度。
综上所述，马氏体的强化机理主要包括固溶度限制、基体约束、相变位能储存和晶粒细化等方面。
这些机理共同作用使得马氏体具有优异的强度和韧性。
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马氏体可逆转变和形状记忆效应在马氏体相变热力学一节中已经讨论到马氏体相变具有可逆性，并将马氏体向高温上的转变称为逆转变或反相变。
碳钢中的马氏体因其加热时极易分解，所以到目前为止尚未观直接察到它的逆转变。
但在一系列铁合金和非铁合金的马氏体相变中均已观察到逆转变的存在，并且在逆转变中亦观察到了表面凹凸现象，凹凸的方向正好和正相变相反。
已发现具有可逆马氏转变的合金有：Fe-Ni，Fe-Mn，Cu-Al，Cu-Au，In-Tl，Au-Cd，Ni-Ti等。
这些合金中的马氏体可逆转变，按其特点不同，可分为热弹性马氏体的可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变两类。
热弹性马氏体的可逆转变是近代发展形状记忆材料的基础。
而非热弹性马氏体可逆转变则导致材料的相变冷作硬化，成为材料强化的途径之一。
（一）马氏体可逆转变的特点具有马氏体可逆转变的不同合金中，马氏体相变的热滞后现象有明显差异。
例如，在Fe-Ni合金（以此作为非热弹性马氏体可逆转变的代表）中，A S较M S高420℃，Au-Cd 合金（以此作为热弹性马氏体可逆转变的代表）中A S比M S 仅高16℃，如图3-100所示。
显然，这两种合金马氏体相变的驱动力差别很大，前者很大，后者很小。
因此，它们的相变行为也有很大的差别。
1、共同特点热弹性马氏体可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变的共同特点是急速加热和冷却都不能遏制转变的进行。
在连续冷却时两种合金转变量随温度的变化都是连续的，即转变量是转变温度的函数，符合降温形成马氏体动力学的一般规律。
2、不同特点主要表现在M S以下两种合金马氏体的长大方式有着明显的差别。
（1）非热弹性马氏体在Fe-Ni合金中，连续冷却时新马氏体片不断形成，每一片都是突然出现，并迅速长大到极限尺寸。
因此，相变速率是温度下降速率的函数，马氏体是由成核率及每一片马氏体长大后的大小来决定的，而和长大速度无关。
因为Fe-Ni 合金马氏体相变驱动力很大，马氏体片长大速度极快。
而马氏体在成核长大过程中，新相和母相必须保持共格关系，所以，当成长着的马氏体片周围的奥氏体，因马氏体片长大而产生塑性变形，在变形达到新相和母相的共格关系被破坏的程度时，片的长大便会停止。
这时，若继续降低温度，虽然相变驱动力增大，但上述马氏体片因共格关系已被破坏，所以不再长大，只有在母相其他位置上出现新的符合相变热力学条件的马氏体核胚，长成新的马氏体。
（2）热弹性马氏体在Au-Cd合金中，虽然马氏体核胚也是突然形成并以爆发式迅速长大到一定大小，但这并不是片的最后尺寸。
当温度继续降低时，片的厚度和长度也将随之增加，并常常表现为跳跃式的进展。
这种马氏体转变是在很小的过冷度（热滞）下发生的，相变所需的驱动力很小。
如果相变驱动力不足以克服使一片马氏体充分成长时所需的弹性形变能及其他的能量消耗时，马氏体片在未长到其极限尺寸之前就会停止长大，但共格界面并未破坏。
这就是说，马氏体形成以后，由于新和母相的比容不同，而在新和母相之间产生了弹性变形。
显然，这种弹性变形是随马氏体片的长大而增大的，因此，在一定温度下，当消耗于新相马氏体周围的母相弹性变形所需的应变能及共格界面能等，增加到和相变驱动力相等时，新相和母相即达到了一种热弹性平衡状态，这时相变会自然停止。
此时，形变并未超过弹性极限，若温度继续下降，则因相变驱动力增加，马氏体片又继续长大。
与此同时，出现新马氏体核胚长大也是可能的。
当温度升高使相变驱动力减小时，马氏体片又会缩小。
因此，称这种马氏体为热弹性马氏体。
图1-102为Cu-Al合金中热弹性马氏体的可逆转变过程。
由图中可见，冷却时，马氏体片逐渐长大，而加热时，马氏体片又逐渐缩小。
热弹性马氏体相界推移很快，并能够和降温同步，所以它仍然保持着降温形成马氏体的特点。
但是，热弹性马氏体相界推移速率受冷却速率的控制，这是和Fe-Ni合金中的转变不同的。
3、逆转变的特点在加热时的逆转变中，这两种合金的转变也存在着明显的差别。
对Au-Cd合金出现逆转变的热滞不大，而且加热时马氏体片差不多是连续收缩的。
但是，非热弹性马氏体的可逆转变热滞很大，并且马氏体片不是突然收缩而消失，而常常是转变成更小的片状碎块。
显然，这是一个需要通过形核、长大的过程。
例如，在Fe-Ni合金的可逆转变试验中，已证实一个马氏体晶粒中会形成几种位向的母相。
由图3-103中可见，在原来的一个马氏体晶粒中形成了许多位向不同的母相晶粒。
如果进一步加热到高温，使之完全逆转变后，则原来的单晶变成了多晶体。
（二）热弹性马氏体可逆转变和形状记忆效应1、热弹性马氏体可逆转变的特点如前所述，热弹性马氏体可逆转变时，热滞非常小，只有几度到20~30。
这种马氏体形成后，随温度下降，原有马氏体片会继续长大，而随温度升高，原有马氏体片又会收缩，呈现出热弹性。
因此，热弹性马氏体的重要特征之一，是在相变的全过程中母相和新相界面始终维持共格联系。
热弹性马氏体转变的另一个重要特征是相变具有完全可逆性，即逆转变可以恢复到母相原来的点阵结构和原来的位向，也就是在晶体学上完全回复到母相原来的状态。
由此得出，马氏体相变为热弹性型的重要条件是：在相变的全过程中，新相与母相必须始终维持共格，同时相变应是完全可逆的。
为了满足前一个条件，相变时体积变化应小，而为了满足后一个条件，则要求晶体为有序点阵结构。
试验证明，热弹性马氏体相变的体积变化要比非热弹性马氏体相变的体积小得多。
并且呈现热弹性马氏体相变的合金一般均为有序点阵结构。
具有热弹性马氏体相变的合金已发现的有Cu-Al-Ni，Au-Cd，Cu-Al-Mn，Cu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Au，Ni-Ti等。
2、形状记忆效应所谓形状记忆效应，是指一定形状的合金在某种条件下经任意塑性变形，然后加热至该种材料固有的某一临界点以上时，又完全恢复其原来形状的现象。
从表面看，好象这种材料能够记忆着过去的形状，因此称为“形状记忆效应”。
形状记忆效应包括单程记忆效应及双程记忆效应。
图4-58a是单程形状记忆效应示意图。
金属棒在T1温度下被弯曲后，在加热到T2的过程中将自动回复成直棒，但在以后的冷却和再加热过程中棒的形状不再发生改变。
图4-58b是双程形状记忆效应示意图。
金属棒在T1温度下被弯曲后，在加热到T2的过程中将自动回复成直棒，且能在再次冷却到T1的过程中自动弯曲。
重复加热与冷却能重新弯曲和伸直。
但双程记忆效应往往是不完全的，且在继续循环时，记忆效应将逐渐消失。
形状记忆效应能够回复的变形量约为6~8%，最高可达百分之十几，变形量过大时不能完全回复。
所谓形状记忆效应实质上是指将完全或部分马氏体相变的试样加热到A f点以上时，则其回复到原来母相状态下所给予的形状。
因此，被记住的只是母相的形状，加热到A f 点以上回复到原来形状的原因，是由于变形所引起的组织上的变化因可逆转变而完全消除。
换句话说，只有逆转变使变形完全消除时，才能看到该合金的记忆效应。
可见，变形方式如何对于形状记忆效应是很重要的。
在具有热弹性马氏体可逆转变的合金中，马氏体内部的变形方式为孪晶变形，马氏体与母相间界变形体现为马氏体本身的成长和收缩，即两者均以相界移动的方式发生变形。
这种界面的反向移动容易导致原来位向的完全回复，而产生记忆效应。
如果变形是由位错运动引起的，则为了回复原形，首先必须使位错完全可逆地回复到变形前的状态，其次是位错应完全消失。
但由于滑移一般为不可逆过程，因此如果以位错引起变形，则很难可逆地回复到变形前的状态。
马氏体转变是一个均匀切变过程，转变的结果能引起宏观变形，在试样表面形成浮凸。
但热处理零件在淬火成马氏体时并未因此而产生形状改变。
这是因为马氏体转变时，为减少应变能，存在一个自协作效应。
从马氏体转变晶体学可知，马氏体相对于母相可以有许多不同的空间取向。
不同取向马氏体的切变方向也不同，故所造成的宏观变形可以相互补偿。
当一个奥氏体单晶转变为许多片不同取向的马氏体时，由于相互补偿，使奥氏体晶粒的形状并未因马氏体转变而发生改变。
此即所谓自协作效应。
如转变只有单个界面，即一个母单晶通过单个相界面的移动随温度的降低转变为一个马氏体单晶，则转变的结果将导致形状的改变。
如果转变是可逆的，则温度升高，马氏体单晶又可通过单个相界面的推移而转变为母相单晶，回复到原来的形状（图4-62）。
这就是在Au-Cd合金中所观察到的双程记忆效应的极端例子。
如果母相通过冷却时的马氏体转变形成具有自协作效应的几种不同取向的马氏体，则转变的结果不会改变零件的形状。
此时如马氏体内的亚结构为孪晶或层错而不是位错，相邻的不同取向的马氏体之间也呈孪晶关系，则在外力的作用下，可以通过孪晶界面的移动而使某一取向的马氏体长大，其它处于不利取向的马氏体不断缩小，逐渐形成一个择优取向的伪单晶马氏体。
与此同时，零件形状也将发生改变，如伸长或弯曲。
撤除外力，零件形状的改变将被保留下来，如将已发生形状改变的零件加热到A S以上，伪单晶马氏体将通过逆转变而转变为母相。
如逆转变为单相界面移动，则将回复母相原来的形状，呈现单程记忆效应。
图4-63是上述过程的示意图。
如马氏体转变是在外力作用下发生的，则转变所得的将是择优取向的马氏体。
与此同时，零件形状也将发生改变。
撤除外力，由于滞后，逆转变不能发生，必须加热才能使之发生逆转变而使择优取向的马氏体转变为母相，并使形状得到回复。
图4-64是整个过程的示意图。
Wayman分析了种种形状记忆效应后提出，具有形状记忆效应的合金应具备的条件是：1）必须是热弹性马氏体；2）亚结构为孪晶或层错；3）母相有序化。
第一个条件极易理解。
第二个条件是为了在外力的作用下能够形成择优取向的伪单晶。
第三条件是为了在逆转变时易于发生单取向转变而回复原来形状，因有序化母相对称性低，在形成时可能的取向少。
前面已经提到，绝大部分热弹性马氏体的母相都是有序化的，故第三个条件与第一个条件是一致的。
3、记忆材料及其应用目前已知的形状记忆合金有Ni-Ti，Au-Cd，In-Tl，Cu-Al-Ni，Cu-Zn-Sn，Au-Cu-Zn，Fe-Pt，Cu-Zn，Cu-Zn-Si，Ni-Al等。
由于形状记忆合金只需改变温度就可改变形状，故在生产上得到了重要的应用。
（1）自动组装的结构件用Ni-Ti合金制作宇航天线。
该合金母相为β相，很硬，在母相状态下将其制成天线，然后冷至低温，使其转变为马氏体。
Ni-Ti合金的马氏体很软，极易折叠成团状，放入卫星中便于发射。
卫星进入轨道后，团状天线被弹出，在太阳光照射下，使其温度升到A S以上，团状天线自动张开回复原始形状（图4-65）。
在海底安装大型结构件，有很大困难，如采用相变点于海底温度的Ni-Ti结构件，冷至相变点以下压缩，然后抛入海底，在海水的加热作用下逐渐回复原状，这样组装甚为方便。