主要的几类记忆合金及性能

第二节 主要的几类记忆合金及性能
一．Ti-Ni基形状记忆合金
• • Ti-Ni基合金是最早发展的记忆合金． 特点： – 记忆效应优良 – 性能稳定
– 生物Hale Waihona Puke Baidu容性好
– 但制造过程较复杂，价格昂贵． • Ti－Ni基记忆合金中的基本相和相变 – Ti－Ni二元合金系中有三个金属间化合物：TiNi、Ti2Ni 、 TiNi3．Ti-Ni 基记忆合金是基于TiNi金属间化合物的合金． – TiNi晶体结构：高温时：B2(CsCl结构)，为母相． – TiNi由高温冷却时发生马氏体相变，马氏体结构：单斜晶体．
• 母相－′相： B2(CsCl结构)或DO3(Fe3Al结构)，属立方晶系
• 马氏体：9R、18R、2H等不同的结构． – Cu-Al-Ni 合金：母相与马氏体的晶体结构与Cu-Zn-Al 基本类似． • Cu基记忆合金中的稳定性： – 相变点对合金成分十分敏感． – 存在较严重的马氏体稳定化现象：淬火后合金的相变点会随着放置时间 的延长增加直至达到一稳定值． – 热－力循环对合金的记忆效应影响显著．随热－力循环的进行，Ms、As、 Af等上升，相变热滞显著增大．
• 制备单晶或形成定向织构；
• 细化晶粒：添加合金元素、控制再结晶、快速凝固、粉末冶金等．
三．Fe基形状记忆合金
• Fe基形状记忆合金分为两类：
– 基于热弹性马氏体相变 – 基于非热弹性可逆马氏体相变 • • 特点：强度高、易于加工成形． 具备形状记忆功能的铁基合金需满足： 1)母相具有高的屈服点或低的弹性极限； 2)马氏体相变引起的体积变化和切变应变较小； 3)马氏体的正方度(c／a)大，有利于形成孪晶亚结构； 4)Ms较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服点.
二．Cu基形状记忆合金
• 主要两种Cu基形状记忆合金：
– Cu-Zn-Al基
– Cu-Al-Ni基
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•
特点： – 形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造等．
– 但与Ti-Ni记忆合金相比：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具 有生物相容性．
• Cu基记忆合金中的基本相 ： – Cu-Zn-Al 合金：
• a）-d）中的应力-应变曲线是在将变形控制在马氏体再取向或应力诱 发生成马氏体所能贡献出的最大应变以内的条件下得到的。
• e) Td >> Md, 不发生应力诱发马氏体相变，在应力作用下, 母相产生塑 性变形. – 记忆合金的记忆变形是可逆的，但记忆合金会发生疲劳破坏：由于有第 二相或夹杂以及晶粒取向不同等因素，记忆合金变形总有不协同性，在 晶界和相界上产生应力集中，导致裂纹形成和断裂． – 总体上Ti-Ni合金具有良好的抗疲劳性能，是所有记忆合金中抗疲劳性能 最好的材料．
种机制进行．由于Td <Ms，卸载后， 不发生马氏体逆转变，或只有少量马 氏体逆转变，应变被完全或大部分保
V (Md<<Td)
e)
持下来．
• c) Ms< Td < Af，变形前组织：完全母 相．变形通过应力诱发生成马氏体进行． 卸载时，马氏体部分逆转变母相，变形 部分被消除．
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• d) Af<Td <Md，变形前组织: 完全母相，变形通过应力诱发生成马氏 体进行．卸载后，马氏体完全逆转变回母相，变形完全消失.
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•
Cu基记忆合金成分范围 在β相区内.
•
当将β相区成分的合金从 高温淬火冷却，β相发生 有序化相变转变为亚稳的 有序β′相. 进一步冷却时β′相发生热 弹性马氏体相变，故β’相 是母相.
•
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•
Cu基记忆合金的力学性能：
– Cu基记忆合金的力学性能较差．主要因为弹性各向异性常数很大、晶粒 粗大，变形时很容易产生应力集中，导致晶界开裂． – 提高Cu基记忆合金塑性和疲劳寿命的方法：
•
Ti-Ni记忆合金的力学性能 – Ti-Ni记忆合金在一定温度下发生马氏体相变和应力诱发马氏体相变，因 此，合金的变形是在马氏体相还是在母相进行，变形时是否发生应力诱 发马氏体相变等因素对合金的应力－应变关系有很大影响. – 按变形温度(Td)与相变点的关系，Ti-Ni合金的应力－应变曲线分为五种 类型（如图4－1 6）：
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图4-14 Ti-50.5Ni合金的电阻温度曲线1273 K固溶处理后673 K时效1 h ①电阻为任意单位 ②含Ni为(Ni)50.5%
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合金元素对Ti-Ni合金相变的影响 – 加Cu：Cu置换Ni • 形状记忆效应、力学性能仍很好，合金价格． • Ms ，热滞 – 加Nb：纯Nb相弥散分布在TiNi基体． • 热滞 – 加Fe： • 出现R相变，相变过程明显分为两个阶段．
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– 从马氏体的形态方面考察，当达到上述要求时，铁基合金中的马氏体一 般呈薄片状. 通过适当的合金化，在铁基合金可实现热弹性或非热弹性可 逆马氏体相变，进而发展出基于这两种相变的铁基形状记忆合金. • 基于热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金： – Fe-Pt： (约w(Pt)25％)、Fe-Pd： (约w (Pd )30％)，昂贵未能应用． – Fe-Ni-Co-Ti合金：Fe-w(Ni)33％-w(Co)10％-w(Ti)4％，价格偏高，Ms太 低(约200K)，应用受限． • 基于非热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金 – 在Fe-Mn-Si合金中，应力诱发形成的薄片状-马氏体（相变时体积变化 小），在加热时能够逆转变为奥氏体． – 在Ms以上施加应力时， -马氏体在与相变应变相适应的应力方向形成并 使合金产生宏观变形．加热到Af以上-马氏体逆转变回奥氏体，变形随 之消失，实现形状记忆. – Fe-w(Mn)(28-33)％-w(Si)(5-6)％合金: 有较好的记忆效应，Ms点在室温附 近. – Fe- Cr-Ni-Mn-Si-Co合金:有较好的记忆效应，回复变形高达4％， Ms:173-323K，耐蚀性很好.
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四．记忆合金的应用
• 应用领域：温度继电器、玩具、机械、电子、自动控制、机器人、医疗热机 等
１）用记忆合金作铆钉
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２）用记忆合金作管接头 • 在Af以上记忆合金管接头 的内径比管子的外径略小. 在Mf以下, 对管接头进行扩 径, 并将管子插入被扩径的 接头中. 随将之加热到Af
T<Mf
以上, 管接头的内径恢复
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Ti-Ni 相图
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– 在适当的热处理或成分条件下，Ti-Ni合金还会形成R相． – R相结构：菱面体点阵 – Ti-Ni合金冷却时，根据成分和预处理条件的不同，呈现两种不同的相变 过程： • 母相马氏体 • 母相 R相(称R相变) 马氏体 – 加热时：
• 马氏体 R相母相
– 这些相变都是热弹性马氏体相变. 按上述晶体学机制实现形状记忆效 应．出现R相变时， Ti-Ni合金的记忆效应是由两个相变阶段贡献的．无 R相变时，记忆效应是由母相马氏体的单一相变贡献的． – 根据成分和热处理条件不同， Ti-Ni合金中有弥散的第二相析出：如 Ti3Ni4、Ti2Ni3、TiNi3、Ti2Ni等，其中Ti3Ni4、Ti2Ni3是亚稳相．第二相 的存在对Ti-Ni合金的记忆效应、力学性能有显著的影响．
原来的尺寸，从而将管子 紧紧的箍住，完成管子 的连接. 3) Ti-Ni状记忆合金大量 用于医疗领域: 用作心 血管支架、牙齿矫形丝、
T>Af
血栓过滤器、动脉瘤夹、
接骨板等.
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•
a) Td <Mf ，变形前组织：完全马氏体．
在应力作用下，马氏体变体发生再取 向过程，产生变形．由于Td <Mf，卸 载后马氏体取向、组织不变，应变被 保持下来．
a)
b)
c)
IV (Af <Td<Md)
d)
•
b) Mf<Td<Ms，变形前组织：部分马氏 体＋部分母相．变形通过马氏体变体
的再取向和应力诱发生成马氏体两