形状记忆合金SMA讲解

形状记忆材料种类
形状记忆合金 (Shape Memory Alloys,SMA) 马氏体
形状记忆陶瓷
相变
高分子材料 —— 晶态－玻璃态相变
形状记忆效应与马氏体相变
?形状记亿效应是在马氏体相变中发现的 ?马氏体相变中的的高温相叫做母相 (P)，低温相 叫做马氏体相 (M) ?马氏体正相变、马氏体逆相变。 ?马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶 体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回 复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在 产生热弹性马氏体相变的合金中。 ?马氏体相变的临界温度： Ms、Mf、As、Af
马氏体相变
(Martensitic Transformation)
? 马氏体相变概述
– 命名，德国人 Adolph Martens – 最初的认识：相变产物的特征 – 深入研究：形核和生长的过程 – 生长速度
? 钢：105cm/s ? AuCd合金、CuZn合金：显微镜下肉眼观察
– 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
Buehler 博士等发现 Ni-Ti 合金具有形状记忆效应，并开发了 Nitinol （NiTi-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
? 共格性相变：相界面上的原子既属于母相， 也属于马氏体相
马氏体相变的惯习面 (Habit Plane)
? 在马氏体相变中，马氏体总是沿着母相的某 一晶面开始产生，这个晶面在马氏体相变的 全过程中，既不发生畸变，也不发生转动。 这样的晶面就称为惯习面，惯习面也是两相 的交界面
? 一般来说，每一种金属或合金在形成马氏体 时都有自己确定的惯习面
? 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
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
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后
?G （T）P? M是母相转变为马氏体的驱动力； ? Gc P? M是母相转变为马氏体的化学驱动力 （? Gc P? M=G M -G P）；? Gnc P? M是非化学 驱动力，主要是相变时新旧相体积变化而 产生的应变能；? Gs是指弹性应变能以外的 相变阻力，近似看作定值。
马氏体相变的临界温度
Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始 点 Af :逆马氏体相变结束 点
应力诱发马氏体相变
Stress Induced Martensitic Transformation
3.1形状记忆机理
3.1.1热弹性马氏体相变
f.c.c. b.c.t
– 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、SiT，iN也i，存化在合马物氏半体导相体变BaTiO3、
马氏体与母相的平衡温度
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征
温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
第3章 形状记忆合金（SMA)
形状记忆效Байду номын сангаас简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
形状记忆效应
?形状记忆效应 :固体材料在发生了塑性变形后， 经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的 形状，这种现象就叫做 形状记忆效应 Shape Memory Effect （SME） 。
普通金属材料
形状记忆合金
航天飞机释放的膨胀月面天线
9CrSi
奥氏体 马氏体
马氏体相变 (Martensitic Transformation)
? 马氏体相变的一般特征
– 无扩散性 ：马氏体相变最本质的特征 – 切变性相变 – 共格性相变 – 惯习面 – 晶体缺陷 – 相变可逆性
马氏体相变是无扩散性相变
? LiMg合金在-200℃下发生了马氏体相变。在-200℃这样的 低温下，原子的扩散是不可能的。
形状记忆合金发展历史
? 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-47.5í 具有形状记忆效应 ? 1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）的
? 实验证明
– 浮凸：预先磨制抛光好的试样，当激冷发生马氏体相变 后，在试样表面能观察到宏观的倾斜的隆起
– 折线：在发生马氏体相变前，在试样上刻上一条直线， 发生马氏体相变后，刻痕直线受折，有的时候会被折成 几段，但直线仍然保持连续
马氏体相变中的浮凸和折线
马氏体相变的切变变形模式
马氏体相变是 共格性相变
? FeC合金和FeNi合金在-20～-195 ℃之间，马氏体形成的 时间约为0.05～0.5μs，在-200℃以下以同样的速度形成 马氏体。
? CuAl合金中，从母相到马氏体相的转变，有序结构保持不 变，根据有序母相的CuAl的原子位置及其取向关系，可以 计算出形成马氏体超结构X射线图相，结果与实验一致， 说明马氏体型相变过程只有原子位置的移动(小于一个原子 间距)，而没有原子位置的调换。