新型金属材料PPT课件

金属材料 • 引言
智能材料：是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。 一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功
能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。智能材料中最具代表性的材料即为形状记忆材 料。（包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物材料。） • 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 无扩散形式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。 • 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，他们的研 究在当时并没有受到世界的重视； • 1951年，美国的里德等人在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。 低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。 1962年，美国的一个空军基地为研制一种耐海水腐蚀的合金而进行样品鉴定时， 就发现弯曲着 的镍钛合金片能自动伸张开来，在场人员无不瞠目结舌。经过一番研究之后， 才发现秘密就在 研究人员手上拿的烟斗之中。 烟丝燃烧产生的热引起了金属片的伸展。 1963年，军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应。
第3章 新型金属材料 一、钢铁材料发展简介
第一次工业革命 18世纪60年代，蒸汽机的发明和应用是工业革命开始的标志 第一次工业革命 无论是纺纱机、织布机、切削机床的工作机，还是作为动力机的蒸汽机，以及火车、铁轨等， 都离不开钢铁。 纺织、冶金、采煤、机器制造和交通运输成为资本主义工业的五大支柱。 冶炼技术发展史 ➢公元前1400年兴起的块炼铁技术，（中国在公元前8世纪开始用生铁技术制造渗碳钢，比欧洲 早2000年） ➢公元前2世纪中叶，炒钢技术的发明（两步炼钢法）。 ➢1874年，英国人亨利.考特—反射炉炒炼熟铁法（搅拌法） ➢18世纪中叶，普德林法生产熟铁用于建造铁轨。 ➢1856年，德国贝塞麦法（底吹转炉法） ➢1863年，法国人马丁（平炉炼钢法） ➢LD转炉法
• 形状记忆合金的经济性是一个重要因素。 ✓ Cu基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比TiNi合金差，但价格仅为TiNi合金 的l/10，在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要降低成本的情况下使用； ✓ 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。 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 形状记忆合金的制备 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。
• 现在，人们发现一些有机高分子材料、无机陶瓷等都具有形状记忆的功能。
形状记忆效应：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
温度下(处于马氏体状态Mf)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 马氏体完全消失温度Af)上时， 材料恢复到变形前的初始形状。 热弹性马氏体相变
• 面心立方的奥氏体晶粒内的原子经无扩散位移，产生形状改变和表面浮凸，这种呈现不 变平面特征的一级相变、形核长大型相变称为马氏体相变，相变后形成体心立方的马氏 体。
• 把马氏体相变开始和相变结束的温度表示为Ms和Mf，把马氏体逆相变(转变成奥氏体)的温 度表示为As和Af。
• 热驱动力与弹性能平衡，称之为热弹性平衡，此时马氏体将停止生长。热弹性马氏体与 钢中的淬火马氏体不一样，通常它比母相还软。
✓ 随应力增加或减小，马氏体也相应长大或缩小； ✓ 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， 称为相变伪弹性，应变完全恢复时称为超弹性。
分类 合金成分 • 呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系就有10种以上，如果把相互组合的合金或者添加适当元
形状记忆效应原理
• 形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后，经加热到某一温度后能够恢复变形，实质 是热弹性马氏体相变。
• 马氏体在外力下变形成某一特定形状，加热时已发生形变的马氏体会回到原来奥氏体状 态，这就是宏观形状记忆现象，如右图所示。
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形状恢复完全可逆需具备以下条件：马氏体相变是热弹性的； ➢ 母相和马氏体呈现有序的点阵结构； ➢ 马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错； ➢ 马氏体相变在晶体学上是可逆的。 • 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。 • 温度场可以诱导形状记忆效应，磁场、应力场等也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。
➢ 利用磁场对合金中的马氏体变体施加静磁力，促使有利取向的马氏体变体长大，吞并不利取向的 变体(表现为孪晶界的移动)，从而产生宏观变形；磁场强度减小或撤去时，孪晶界又回到初始位置。
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(SIM)。 • Af温度以上的马氏体只在应力下稳定。
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• NiTi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好、成本相对低廉等许多特点而引起极大关注， 人们开始考虑形状记忆合金的广泛应用。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。
素的合金都算在内，则有100种以上。 • 得到实际应用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基合金。
• 其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致价格昂贵，或者有些只能在单晶状态下使用， 不适于工业生产。
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• 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合金强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好，具有优异的生物相容性 ✓ 在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的