形状记忆合金

第二节、形状记忆合金的特性
• 1、 形状记忆合金的特性 • 形状记忆合金是一种具有形状记忆效应
的材料。 • 形状记忆效应是指材料能够“记住”原
始形状的功能。这种材料在一定形态及 条件下，虽经变形，但在加热到超过某 一温度，或卸除载荷后具有回复到原始 形状的能力。 • 用σ-ε曲线可示意性说明其特点。
2、三类形状记忆效应
一般，形状记忆合金兼有形状记忆效应和超弹性效应两种特 性。形状记忆效应有三类（如下图所示）：
• 2.1．单向形状记忆效应
材料在高温下定形后，倘若被冷却到低温加以形变，只要从形 变温度稍许加热(几K-30K)就可以使原先出现的残余形变迅速 消失，并回复到高温所固有的形状。随后再进行冷却或加热， 形状将保持不变。上述过程可以周而复始，仿佛合金记住了高 温状态所赋予的形状一样，称为“单程（向）"形状记忆。
• 2.2．双向形状记忆效应
如果材料经过特殊的“训练”，在随后的加热和冷却循环中， 能够重复地记住高温状态和低温状态的两种形状，则称为“双 程（向）”形状记忆。
• 2.3．全过程形状记忆效应
某些合金在实现双程记忆的同时，继续冷却到更低温度，可以 出现与高温时完全相反的形状，称为“全程”形状记忆。这是 双向记忆的一种特殊情况。
（4）晶格缺陷与相变可逆性 • 马氏体内一定有晶体缺陷存在。马氏体相变具有可逆性。
• 图2-4
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 需要大的过热度（无形状记忆效应）。
全过程形状记忆效应的照片
• (a)100℃ 沸水中的形状。 • (b)从沸水中提出。 • (c)冷却到室温时的形
状。 • (d)0℃ 冰水中的形状。 • (e)干冰酒精中的形状。 • (f)再放入100℃沸水中
的形状
第三节、形状记忆效应的机理
• 1、形状记忆效应的本质
• 形状记忆效应和超弹性效应的机制是相 同的，都是以马氏体发生逆向转变形成 其母相（奥氏体）而使形状得到恢复为 基础的。即：发生马氏体转变的合金在 形变后，被加热到马氏体转变逆转变的 终了温度以上，使低温马氏体又变回为 高温母相，回复到形变前的原始形状。 而再冷却时，通过内部弹性能又返回到 马氏体的形状。
2、马氏体相变
2.1 定 义 由高温下保持稳定的晶
体结构的母相，转变为低温 下保持稳定晶体结构马氏体 相，叫马氏体相变。由马氏 体到母相的相变叫做马氏体 逆相变
变开始温度为Ms点，终了温度为Mf点。最终全部转 变为马氏体相。如果逆向加热，则马氏体转回母相，开始 温度为As点，终了温度为Af点。
2.2、马氏体相变的一般特征
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。
（1）无Fra Baidu bibliotek散性相变
• 马氏体转变及其逆转变过程中，各个原子并不扩散（并 非独自的移动），原子的迁移不超过一个原子间距。
（2）共格性相变
• 由于在相变时形成的马氏体和母相的特定位相的点阵存 在严格的对应关系，逆相变时，只能回到原有的母相状 态，这样就恢复到原状。
（3）切变性相变
• 马氏体相变是沿着母相和马氏体的界面发生切变，伴随 有表面浮凸宏观形状变化。但这种形变与滑移形变不同。 滑移形变是沿着滑移面错开位置，不发生结构变化，滑 移面两侧稳定性相同，加热不会引起形变消失。
第七章 、 形状记忆合金
第一节、概述
1、发现 1951年在研究Au-Cd合金时发现了形状记忆现象。但到
1960年，美国海军兵器实验室制成了NiTi形状记忆合金 后，才开拓了形状记忆合金在工业技术上的应用。
1963年，美国海军军械实验室奉命研制一种新式装 备。在一次试验中他们需要一些镍-钛合金丝，他们领回 来的镍-钛合金丝是弯曲的，使用不方便。于是他们就将 这些细丝拉直。试验中，当温度升到一定值的时候，这 些已经被拉直的镍-钛合金丝，突然又全部恢复到原来弯 曲的形状，而且和原来一模一样。他们反复作了多次试 验，结果都一样。
2、应用
• 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”Ⅱ号登月舱在月球着陆， 实现了人类第一次登月旅行 的梦想。宇航员登月后，在 月球上放置了一个半球形的 直径数米大的天线，用以向 地球发送和接受信息。数米 大的天线装在小小的登月舱 里送上了太空。
• 这个天线就是用当时刚刚发 明不久的形状记忆合金制成 的。
• 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 料的研究进入了新阶段。以后研 究和应用有较大的发展。在机械、 计算机、机器人、能源等部门以 及医疗方面获得了多方面的应用， 取得满意的结果。
• 有形状记忆效应的Au-47.5Cd合金的马氏体相变则有不 同的特点。转变滞后温区很狭(As-Ms=15℃)，形成的马 氏体并不立即达到其最终的尺寸，而是随着温度的变化 而不断地长大或收缩，母相与马氏体相的界面随之进行 弹性式的推移；同Fe-30Ni相比，Au-Cd合金马氏体相变 及逆相变所需的驱动力均较小，母相与马氏体之间呈热 弹性平衡。因此，形状记忆效应被认为是热弹性马氏体 可逆转变的结果。