形状记忆合金的本构关系
功能材料课件-形状记忆合金
合金产生宏观变形 变形随之消失
变形在Ms以上进行 无双程记忆效应
形状记忆
形状记忆合金的应用
阿波罗11号——天线
机械应用
自控元件
形状记忆合金制成的水龙头上的温度调节装置
制作发动机 利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，
产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能、 热能之间的相互转换。
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其特点。
形状记忆合金可以分为三种： 镍钛系 铜系 铁系
其性能见P51 表5-2
镍钛系
基本特点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好等 一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。
（一）Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变
母相是CsCl结构的体心立方晶体(B2)
铜系
基本特点：形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造， 但强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容 性。 主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来
Cu-Zn合金的热弹性马氏体相变温度极低，通过加入Al, Ge, Si, Sn, Be可以有效的提高相变温度，由此发展了的Cu-ZnX(X= Al, Ge, Si, Sn, Be )三元合金。加入其它组元进一 步提高性能（多元合金）
基于高分子材料中分子链的 取向与分布的变化过程
分子链的取向与分布可 受光、电、热、或化学 物质等作用的控制
SMP 可 以 是 光 敏 、 热 敏 、 电敏等不同的类型。
形状记忆高分子（shape memory polymer, 简称SMP） 热敏型SMP的工作机制
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其基本特点
基于非热弹性可 逆马氏体相变
Fe-Mn-Si Fe-Ni-Si Fe-Cr-Si-Mn-Co
第5章-形状记忆合金
5.1 形状记忆原理
5.1.1 热弹性马氏体相变
马氏体相变首先在钢中发现。
钢（碳溶解到γ——铁中形成的固溶体）在高 温时形成奥氏体相，如以极大的冷却速度过冷 到230℃以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩 散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱 和的α固溶体，称为马氏体。
马氏体相变之后在钛、锂等金属，合金 及氧化物晶体中发现。
解决措施：
（1）冷加工：对 该状态的材料进 行 应 变 量 大 于 20 ％的深度加工， 产生高密度位错 提 高 σs( 滑 移 形 变 抗力)，可消除上 述影响。
（2）时效处理使 合金形成稳定析 出物，也可以阻 止滑移形变的进 行，达到稳定相 变温区的目的。
图5-11 Ti-Ni50.6(at)％合金时效处理后的相变热循环 (1273K/3.6ks固溶，673K/3.6ks时效)
（2）形变循环的影响及措施：
形变循环对伪弹性的影响除应力大小外， 与形变方式也有很强的依存关系。
措施：对时效处理材料进行冷加工的综 合处理或“训练”，可以维持更稳定的伪弹 性动作。
过程4：
将变形马氏体加热到As点以上，马氏体 发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低， 转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一 个位向—母相原来的位向。尤其当母相为长 程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群 中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位 向的母相倾向更大。逆转变完成后，便完全 回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢 复。
1. Ti-Ni合金结构
Ti-Ni合金中有三种金属化合物：Ti2Ni，TiNi 和TiNi3，TiNi的高温相是CsCl结构的体心立方晶 体(B2)，低温相是一种复杂的长周期堆垛结构B19， 属单斜晶系。高温相(母相)与马氏体之间的转变温 度(Ms)点随合金成分及其热处理状态而改变。
形状记忆合金的本构模型及其有限元实施
形状记忆合金的本构模型及其有限
元实施
什么是形状记忆合金？形状记忆合金是一种特殊的合金材料，这种材料具有很强的塑性变形能力，它具有“形状记忆”的特性，即在去掉外力后，它会回到原本的形状，而不需要其他额外的加工。
形状记忆合金在现代工业中有着广泛的应用，包括汽车、航空航天、船舶、机器人等领域。
形状记忆合金的本构模型是描述形状记忆合金力学行为的数学模型。
本构模型可以帮助我们了解形状记忆合金在不同情况下的变形行为，并通过将其应用到有限元分析中，对形状记忆合金的力学行为进行定量分析。
形状记忆合金的本构模型通常是基于克里金方程组或者扩展的克里金方程组来建立的，这些方程组具有一定的假设，如变形量小、体系稳定等，以达到更好的近似效果。
本构模型的实施可以采用有限元分析的方法，即将形状记忆合金的本构方程组转化为有限元方程组，然后使用相应的有限元软件计算出形状记忆合金的变形行为。
有限元分析的步骤分为三步：1）几何建模，2）材料建模，3）求解。
首先，建立形状记忆合金的有限元模型，根据实际的实验情况，对合金的几何体结构进行建模，建立形状记忆合金的有限元模型；其次，建立形状记忆合金的材料模型，根据形状记忆合金的本构模型，将形状记忆合金的本构方程组转化为有限元方程组；最后，使用有限元软件对有限元方程组进行求解，获得形状记忆合金的变形行为。
通过有限元分析，我们可以精确地模拟形状记忆合金的力学行为，并给出形状记忆合金在不同情况下的变形行为，为形状记忆合金的设计和应用提供理论支持。
形状记忆合金的一维本构模型
2 本构关系的推导
借鉴 Tanaka 的工作，当将描述形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性效应的内变量定 义为形状记忆因子η 时，形状记忆合金的本构关系推导过程如下： 热力学第一、第二定理给出：
& −σ ˆL + ρU
&−ρ ρS
∂q sur − ρq = 0 ∂x
（1）
q ∂ ⎛ q sur ⎞ + ⎜ ⎟≥0 T ∂x ⎝ T ⎠
A One-dimension Constitutive Model of Shape Memory Alloy
Zhou Bo, Wang Zhenqing 1 School of Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin,150001，China Email: zhoubo@ Abstract: The conception of shape memory factor is defined. The one-dimension complete type constitutive equation based on the shape memory factor is deduced. The exponent shape memory evolvement equation is created. A one-dimension constitutive model of shape memory alloy is set up using the one-dimension complete type constitutive equation based on shape memory factor and the exponent shape memory evolvement equation. The compare with the model of Brinson illustrates the new model is right. The numerical calculation results illustrate that this one-dimension model can descript the thermomechanics behaviour of shape memory alloy at any temperature. Keywords: Shape Memory Alloy; Shape Memory Factor; Shape Memory Evolvement Equation; One-dimension Constitutive Model 形状记忆合金作为一种新型智能材料， 以它独特的形状记记忆效应和超弹性效应， 近年 来在各种智能结构中得了广泛的应用。 形状记忆合金的广泛应用使得建立能够有效、 准确地 描述形状记忆合金热力学行为的本构模型具有重要的工程意义。从 80 开始，各国学者从各 种不同角度构造了不同类型的本构模型。 Tanaka[1]基于能量守恒及 Clausius-Duhem 不等式，建立了 Kirchhoff 应力、Green 应变、 温度和反映相变过程的内变量之间的关系， 推导了三维增量型的本构关系。 将描述形状记忆 合金的相变过程的内变量简化为一个，即马氏体体积百分数 ξ 。根据 Magee[2]关于铁系合金 马氏体相变的一维核动力学方程，推导了指数型的反映 ξ 变化规律的相变演化方程， 建立了 Tanaka 模型。 Liang 和 Rogers[3]以余弦型的相变演化方程代替 Tanaka 的指数型的相变演化方 程，并且假设形状记忆合金材料的弹性模量、相变模量和热弹性模量为常数，并通过实验来 确定这些常数， 由此得到了形状记忆合金一维全量型本构关系和余弦型相变演化方程一起建 立了 Liang-Rogers 模型。 Brinson [4][5]在 Tanaka 和 Liang 及 Rogers 工作的基础上， 考虑到 Tanaka 模型和 Liang-Rogers 模型的局限性，将马氏体体积百分数 ξ 分成两部分， 即由温度诱发的 ξT
形状记忆合金的本构模型及试验研究
形状记忆合金的本构模型及试验研究一、本文概述本文旨在深入研究和探讨形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMAs）的本构模型及其相关试验研究。
形状记忆合金作为一种特殊的材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性，因此在航空航天、医疗器械、智能结构等多个领域具有广泛的应用前景。
本文首先将对形状记忆合金的基本特性进行简要介绍，包括其形状记忆效应、超弹性以及相变行为等。
接着，本文将重点阐述形状记忆合金的本构模型。
本构模型是描述材料力学行为的重要工具，对于形状记忆合金而言，其本构模型需要考虑材料的相变行为、温度效应、应变率效应等多个因素。
本文将详细介绍几种常用的形状记忆合金本构模型，包括基于热力学原理的本构模型、基于细观力学的本构模型以及基于神经网络的本构模型等，并对它们的优缺点进行比较和分析。
在试验研究方面，本文将介绍相关的形状记忆合金试验方法和实验结果。
试验内容包括材料的相变行为测试、力学性能测试、形状记忆效应测试等。
通过对试验数据的分析和处理，可以验证本构模型的准确性和可靠性，并为形状记忆合金的应用提供理论支持和实践指导。
本文将对形状记忆合金的未来研究方向和应用前景进行展望。
随着科技的不断发展，形状记忆合金的应用领域将会更加广泛，对其性能的要求也将更加严格。
因此，深入研究形状记忆合金的本构模型和试验特性，对于推动其应用和发展具有重要意义。
二、形状记忆合金的基本特性形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）是一类具有独特形状记忆效应的金属材料。
它们在经历一定的塑性变形后，能够在适当的热或机械刺激下恢复到原始形状。
这种特性使得形状记忆合金在航空航天、医疗器械、汽车工程等领域具有广泛的应用前景。
形状记忆效应：形状记忆合金最为突出的特性是其能够在一定条件下恢复原始形状。
这种效应主要源于合金内部发生的马氏体相变。
当合金受到外力作用而发生塑性变形时，其内部会发生马氏体相变，形成稳定的马氏体结构。
最新第6节 形状记忆合金课件ppt
用作连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。 下图是形状记忆效应应用最简单的例子—外部无法接 触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管接头， 连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外径小 4%，在Ms以下马氏体非常软，可将接头扩张插入管 子，在高于As的使用温度下，接头内径将复原。
(a)成型(T>Af) (b)弯曲应变(T<M f) (c)插入(T<M f) (d)加热(T>Af工作温度)
双向记忆效应
具有双向记忆的合金，在一定温度区间，随温 度升降，材料将反复变形。
3、相结构
母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相
变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构
比较简单，如果不考虑原子差别，都是体心立方。
马氏体的晶体结构复
杂一些，大多为长周
期堆垛。同一母相转
变得到的马氏体可以
合金 Ag-Cd Au-Cd Cu-Al-Ni
Cu-Sn Cu-Zn Cu-Zn-X
(X = Si,Sn,Al) In-Ti Ni-Al Fe-Pt Mn-Cu Fe-Mn-Si
原子百分比 44/49 at.% Cd 46.5/50 at.% Cd 14/14.5 wt.% Al 3/4.5 wt.% Ni approx. 15 at.% Sn 38.5/41.5 wt.% Zn a few wt.% of X
母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变是可
逆的，逆转变
完成后，不留 下任何痕迹，
(A) (B)
得到方位上和 以前完全相同
的母相。
A、B类马氏体相变的热滞后
相变时热滞后小，反映了相变驱动力（母相与马氏体 相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移 动。这种热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相 变称为热弹性马氏体相变。冷却时驱动力增大，马氏 体长大，同时马氏体周围母相中产生的弹性能增加， 冷却停止，马氏体长大也停止，即热驱动力与弹性能 平衡，称之为热弹性平衡.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。
第六章 形状记忆合金
SMA微型手臂
记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合 金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即 伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金 弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆” 功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。下图是日本 TOTO公 司生产的智能水温调节器。
四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多 有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察 到冷却过程中发生的马氏体转变；同时也观察到了 在加热过程中所发生的马氏体转变。由于这一新的 发现，人们不得不把马氏体的定义修定为：“在冷 却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏 体 ”。 马氏体相变-以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏 体相变。
热弹性马氏体相变
降温过程中，奥氏体将转变成马氏体。马氏体转变开 始和终了温度分别以Ms、Mf表示；加热过程中，马氏体逆 相变开始和终了温度分别以As、Af表示。对于不同材料， 这些特征温度不同。马氏体逆相变中存在热滞后现象，使 得As大于Ms。按As-Ms的大小和马氏体的生长特征将马氏 体相变分成非热弹性马氏体相变和热弹性马氏体相变两类。
马氏体的形变与加热后的形状记忆
(a) 原始形状
(b) 拉 直
(c) 加热后恢复
形状记忆效应简易演示实验
形状记忆合金可以分为三种： （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复 变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现 象称为单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复 低温相形状，称为双程记忆效应。 （3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取 向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
形状记忆合金(SMA)
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。
晶粒细化的作用：例：晶粒尺寸由160mm细化到 60mm时，断裂延伸率提高40%，断裂应力提高约 30%，疲劳寿命提高10 - 100倍。同时合金的记忆效 应保持良好。
3.2.3 Fe基形状记忆合金
基本特点：铁基记忆合金具有强度高、易于加工成
型等优点、实用的合金经济性好 基于热弹性可逆 Fe-Ni-Co-Ti、 相变温 主要合金： 马氏体相变 Fe-Pt、Fe-Pd 度很低
马氏体稳定化与时效处理：淬火后合金的相变点会 随着放置时间的延长而增加直至达到一稳定值。稳 定化严重时马氏体甚至不能逆转变，失去记忆效应。 产生的原因是由于淬火引入的过饱和空位偏聚在马 氏体界面钉扎甚至破坏了其可动性而造成的。采用 适当的时效或分级淬火可以消除过饱和空位，从而 消除马氏体的稳定化。
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-47.5%Cd具有形状记忆效应 • 1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）的
基本特点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好等 一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。
形状记忆合金超弹性本构关系的神经网络模型
中 圈分 类 号 ： ３ １ ＴＢ ８ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ４４ ２ （０ ６ ０— １ ９０ １ ０ ５ ３ ２ ０ ） １０ ０ —５
定 的修 正 ， 未考 虑影 响材 料性 能的 内在 因素 ， 并 与试
Ｌ ａ ｇ Ｂ ｉｓ ｎ等 人 提 出 的一 维 唯象 理 论模 型与 其 ｉｎ 。 ｒ ｏ ｎ
在较大 差异 。而 人工神 经 网络不 需要 了解 具体 的机
理， 只需 详 细地考 虑影 响 因素和 预期 的 目标 ， 过对 通
己知样 本 的学 习训 练 ， 掌握 输 入 与输 出间 复 杂 的非
形状 记 忆 合 金超 弹 性 本构 关 系的神 经 网络 模 型
崔 迪 李 宏 男 ，宋 钢 兵 ， 。
（． １大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 ， 辽宁 大连 １ ６ ２ ｆ １ ０４
２ 美 国休 斯 教 大 学 机 械 工 程 系 ． 国 休 斯敦 ７ ２４ ． 美 ７０）
构模 型 。刘 淑红 等在 上述一 维唯 象理论模 型 的基础
上 Ｌ， ６ 将模 型 中的相 变方程 修正为 线性 方程 。 ］ 虽然 修 正 后 的模 型简 洁一 些 ， 只是 针对 方程 本 身做 了一 但
它几类 模 型相 比具 有 实验观察 基础 、 表达 形式 简单 、 模 型参 数 容 易确 定 等 特 点口 ， 土 木工 程 结构 振 ］在
动控 制研究 中得 到 了广泛应 用 。 ｉｎ Ｌ ａ ｇ和 Ｒ ｇ ｒ ｏ ｅｓ为
了避免 余 弦 函数计 算 时 带来 的麻 烦 Ｌ， 应 力应 变 ４将 ］
存 在一 定 的误差 ， 而且模 型本 身也 带有 一些 假设 ， 这 就会涉 及模 型 的精确性 问题 。 此外 。 目前 的材 料生 就
形状记忆合金及其应用
①TiNi系列，发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。
②β铜基合金系，包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’（2H）或单斜β1’（18R1）,γ1’—单斜β1”（18R2），β1”--单斜α1, β1’--单斜α1相变（视应力大小而定）；Cu-Zn-Al-X（Cu-Zn-Al-X，X=Mn或Ni等），发生体心立方（β2、DO3或Lα1）--单斜9R或18R相变；其它，如Cu-Zu和Cu-Zn-X（X=Si、Sn、Au等）。
六、形状记忆合金的主要应用
SMA由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。
仅以TiNi形Biblioteka 记忆合金为例。1、SMA薄膜在MEMS驱动和传感元件上的应用：日本东京大学的Nakamrua等人[8]研制了SMA薄膜环形微驱动器。采用TiNi泵膜的微泵一次循环中可产生8%的应变，泵程输出的流体体积与可恢复应变是成正比的,因此TiNi薄膜在微泵方面具有很好的应用前景。
在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。
按照记忆效应不同，可分为三类：
单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
形状记忆合金及其应用
一、何为形状记忆合金
形状记忆合金本构模型
形状记忆合金本构模型形状记忆合金是一种特殊的材料，其可以在受到外界温度或应力刺激时，发生可逆的形状变化。
这种材料广泛应用于许多领域，如机械工程、医学、航空航天等。
本文将介绍形状记忆合金的本构模型及其应用。
我们来了解一下形状记忆合金的基本原理。
形状记忆合金由一种或多种金属元素组成，其中最常见的是镍钛合金。
在室温下，形状记忆合金处于高温相，其晶胞结构呈现为立方晶系。
当形状记忆合金被加热至特定温度时，会发生相变，晶胞结构从高温相转变为低温相，这种相变伴随着形状记忆效应的产生。
形状记忆效应可以分为两种类型：单向记忆效应和双向记忆效应。
单向记忆效应是指形状记忆合金在经历相变后，只能恢复一种形状。
而双向记忆效应则可以使形状记忆合金在经历相变后，能够在不同的温度下恢复不同的形状。
对于形状记忆合金的本构模型，最常用的是热力学模型和力学模型。
热力学模型基于能量的最小化原理，通过定义自由能函数来描述形状记忆合金的力学行为。
力学模型则基于应变和应力之间的关系，通过弹性力学理论来描述形状记忆合金的应力响应。
热力学模型中最常用的是Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD)模型，该模型基于自由能函数的展开，将自由能函数表示为温度、应力和应变的幂级数。
通过对自由能函数的优化，可以得到形状记忆合金的相变温度、相变压力以及相变应变等参数。
力学模型中最常用的是线性弹性模型和非线性弹性模型。
线性弹性模型假设形状记忆合金在相变过程中的应变与应力之间存在线性关系，通常使用Hooke定律描述。
非线性弹性模型则考虑了相变过程中的应力-应变非线性效应，常用的模型有Kachanov-Rabotnov模型和Smith-Lemaitre模型等。
形状记忆合金的应用十分广泛。
在机械工程领域，形状记忆合金可以用于制造具有自修复功能的材料，如自修复机械零件和自修复管道。
在医学领域，形状记忆合金可以用于制造可植入人体的支架、导丝和血管等医疗器械。
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一种特殊的金属材料，具有能够记忆并恢复其原始形状的能力。
其机理基于固体相变原理和晶格结构的变化。
形状记忆合金最常见的一种是尼钛合金（nitinol），由镍和钛两种金属元素组成。
在高温下，尼钛合金会变得柔软并能够被塑形。
当尼钛合金被冷却至低温时，其晶格结构会发生变化，形成一种称为马氏体的结构。
在这种状态下，尼钛合金的形状会恢复到其原始形状，即具有形状记忆的能力。
形状记忆合金的机理可分为两个过程：相变和相互作用。
相变过程是指材料从奥氏体相（高温相）向马氏体相（低温相）的转变。
当形状记忆合金处于高温下时，其晶格结构呈现出一种称为奥氏体的结构，具有高度的塑形性。
当材料冷却至低温时，奥氏体相会转变为马氏体相。
这一相变过程是可逆的，也就是说，当材料再次加热时，马氏体相会转变回奥氏体相。
相互作用过程是指形状记忆合金在不同温度下发生形状变化的能力。
当材料处于马氏体相时，其形状会被锁定。
这是由于马氏体相的晶格结构的排列方式与原始形状相匹配。
当材料受到外界的力或热作用，温度升高时，马氏体相会发生相变并转变为奥氏体相。
在这一过程中，形状记忆合金可以被重新塑形，但一旦材料被冷却至低温，马氏体相又会重新形成，并恢复到原始形状。
形状记忆合金具有许多应用的领域。
其中最常见的是医疗领域，如心脏支架、血管支架和牙齿矫正器等。
形状记忆合金可以根据人体的温度变化和力的作用，自动调整其形状，从而确保医疗器械的稳定性和适应性。
形状记忆合金还被广泛应用于机械工程、航空航天、汽车制造等领域。
形状记忆合金可以用于机械开关、飞机翼尖和汽车阀门等部件。
通过利用形状记忆合金的形状稳定性和自适应性，可以提高设备的性能和可靠性。
形状记忆合金具有独特的机理和广泛的应用。
它通过相变和相互作用的过程，实现了记忆和恢复原始形状的能力，为不同领域的应用带来了许多创新和改进的机会。
形状记忆合金
② 双程形状记忆处理 a、强制变形 是指对低温马氏体状态下的合金进行一定限度的、10％以上的强制变 形。 b、约束加热 是使处于马氏体状态下的合金变形，并将变了形的形状约束固定下来， 然后再将合金加热到高于Af温度50℃，甚至更高一些温度进行保温时 效处理的方法。也称为约束时效。 c、训练 是先将合金变形到估计能够回复的程度，然后将合金加热，使它回复 原来的形状，再反复多次地重复上述变形、加热过程，即可得到双程 形状记忆效应。
高温相或母相为β固
溶体，具有B2结构， 即体心立方点阵 。 淬火后得到马氏体β΄， β΄具有复杂的长周期堆
垛结构，属于单斜晶系。
2、Ti—Ni合金的形状记忆特性
形状记忆特性指标：
相变温度：Ms、Mf、As、Af。 温度滞后：指马氏体相变开始温度和逆相变开始温度的差 值，As－Ms。 形状回复量：反映形状记忆合金随温度变化所表现出来的
特点：既能记忆母相的形状，也能记忆马氏体相的形状。 当加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应，能够恢 复到母相的形状；而当从母相再次冷却为马氏体时，又可 以恢复到马氏体的形状。
（c）称为全方位形状记忆效应。 特点：在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的 形状。
许多形状记忆合金还具有相变伪弹性效应。
强烈的加工硬化现象，以及形状记忆和伪弹性效应。所以，
Ti—Ni合金的冷拔、切削加工、钻孔等都有一定难度。切 削时，即使采用高速钢，都很困难，一般要采用硬质合金
刀具。
（3）形状记忆处理
① 单程形状记忆处理
a、中温处理 将冷加工后的材料按照所需要的形状加工成型后，在400℃～500℃之间
进行几分钟～几个小时的加热保温的一种工艺。
b、低温处理 是先在800℃以上的高温下使合金材料完全退火，然后在室温下成型加
超弹性材料本构关系不同构造方法
超弹性材料本构关系不同构造方法超弹性材料是一类具有非常高的形变能力和弹性恢复能力的材料。
它们能够在受到变形时存储大量的应变能量，并在去除外部作用力后迅速恢复其原始形状。
超弹性材料的本构关系描述了材料在应力和应变之间的关系，不同构造方法可以用来设计和制备这类材料。
以下将介绍几种常见的超弹性材料本构关系的构造方法。
1.线性弹簧模型：线性弹簧模型是最简单的超弹性材料本构关系模型之一、它假设材料的应力与应变之间的关系是线性的，即应力与应变之间存在一个线性的比例关系。
这个模型常用于一些简单的超弹性材料，如弹簧和橡胶带等。
线性弹簧模型的本构关系可以用胡克定律来表示，即应力等于弹性系数乘以应变。
2.双杆模型：双杆模型是一种常用于描述金属材料等超弹性材料的本构关系。
它假设材料由两个相互行为不同的杆组成，其中一个杆具有线弹性，而另一个杆则具有非线性超弹性。
这个模型的关键在于调整两个杆的弹性常数和应变阈值，以使整体材料具有超弹性的特性。
3.并联弹簧模型：并联弹簧模型是一种将多个线性弹簧并联起来以构造超弹性材料本构关系的方法。
通过调整每个弹簧的弹性系数和长度，可以实现材料的超弹性特性。
这种方法能够模拟材料在受到多个作用力时的应变能量存储和释放机制。
4.形状记忆合金模型：形状记忆合金是一种常见的超弹性材料。
它具有在不同温度下具有不同形状的特性。
形状记忆合金模型的构造方法基于对材料的相变和微观结构进行建模。
通过改变材料的温度，可以引发相变，从而实现材料的形状记忆功能。
总结起来，超弹性材料的本构关系可以通过多种不同的构造方法来实现。
这些方法包括线性弹簧模型、双杆模型、并联弹簧模型和形状记忆合金模型等。
通过调整不同构造方法中的参数和结构，可以实现材料的不同超弹性特性。
这些构造方法为设计和制备新型超弹性材料提供了一定的指导和思路。
铁磁形状记忆合金本构关系的研究进展
模型进行 了分析 比较 ， 旨在建立更完 整 、 应面更广 的模 型 ， 适 进
一
步推动 Ｆ ＭＡ本构模型的研究发展与工程应用 。 Ｓ
１ 铁磁形状记忆合金 的本构模型
１ １ 基 于微观 磁 学约束 理论 的模 型 ．
１９ ９ ９年 Ｊｍｅ 和 Ｗｕｔ Ⅱ ］ ａ ｓ ｔ ｇ 研究 了铁磁 形状 合金 中磁场 ｉ 诱导应变的理论 。这种方 法最初 的研究是 基于微 观磁学 的， 能
ｍｏ ｅｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｕ ． Ｓ ｍｅ ｓ ｇ ｅ ｔｏ ｓ ｆ ｒ ｆ ｒ ｈ ｒ ｅ ｔ ｎ ｉ ｎ ｆｔ ｅ ｍｏ ｅ ｓａ ｅ ｇ ｖ ｎ ｈ ｒ ． ｄ ｌ ｓ ｐ ｉ ｔ ｄ ｏ ｔ ｏ ｕ ｇ ｓ ｉ ｎ ｏ ｕ ｔ ｅ ｘ ｅ ｓｏ ｓ ｏ ｈ ｄ ｌ ｒ ｉ ｅ ｅ ｅ
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铁磁 形状记 忆合 金本 构 关 系的研 究进 展／ 玉萍等 朱
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铁 磁 形 状 记 忆 合 金 本 构 关 系 的 研 究 进 展
朱 玉萍 ， 关锁 兑
（ 北京交通大学工程力学研究所 ， 北京 １ ０ ４ ） ０ ０ ４ 摘 要
ＺＨＵ ｕ ｉ ｇ，ＤＵ ＩＧｕ ｎｓ ｏ Ｙ ｐｎ ａ ｕ
（ｎ ｔｕｅｏ ｃａ ｉ ，Ｂ ｉｎ ｉ ｔｎ ｉ ｒｉ ， ｅ ｉｇ１０ ４ ） Ｉｓｉ ｔ ｆ ｔ Ｍｅｈ ｎｃ ｓ ｅ ｉｇＪ ｏｏ ｇＵｎｖ ｓｔ Ｂ ｉｎ ０ ０ ４ ｊ ａ ｅ ｙ ｊ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒｃ Ｉ ｈ ａ ｅ ，ｔ ｅｃ ｎ ｔｔｔｖ ｄ ｌ ｆｆｒｏ ｇ ｅｉ ｈ ｐ ｍｏ ｙａｌｙａ ｅｓｕ ｉｄｍａｎ ｙ ｎｔ ｅｐ ｐ ｒ ｈ ｏ ｓｉｕｉｅｍｏ ｅｓｏ ｅｒ ｍａ ｎ ｔｃｓ ａ ｅｍｅ ｒ ｌ ｒ ｔ ｄｅ ｉｌ．Ｔｈ ｏ ｅ
功能材料(形状记忆合金)
3.2 形状记忆合金 已发现的形状记忆合金种类很多，可以 分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。另 外，近年发现一些聚合物和陶瓷材料也具有 形状记忆功能，其形状记忆原理与合金不同， 还有待于进一步研究。
目前已实用化的形状记忆材料只有Ti-Ni合金 和铜系形状记忆合金。表3-3为Ti-Ni、铜系， Fe-Mn-Si合金有关性能参数。
不仅对母相施加应力诱发马氏体相变会 产生伪弹性，而且在Mf温度下，应力能诱发 具有其它结构的马氏体。这种应力诱发马氏 体在热力学上是不稳定的，仅能在应力下存 在，应力除去后，逆转变为原始结构马氏体 而出现伪弹性。
如图3-5，给出了Cu-Al-Ni合金单晶体的内部 组织变化及相变点温度、应力的关系。
图3-5 (Cu，Ni)3Al合金单晶的温度-应力状态图
由图可见，随着应力的增加，合金的 Ms点向高温移动。 当 合 金 急 冷 至 Ms 点 以 下 时 ， 首 先 生 成 γ’1(2H) 马 氏 体 ， β’’1(18R2)是由γ’l应力诱发产生的，β’1是由 β1应力诱发产生 的，进一步加载， β’’1 和 β’1 均转变为 α’1 。即应力改变了热 力学条件，诱发一种结构的马氏体向另一种结构的马氏体 转变，从而使合金呈现伪弹性。
母相受力生成马氏体并发生形变，或 先淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑 性变形，变形后的合金受热(温度高于As)时， 马氏体发生逆转变，回复母相原始状态； 温度升高至Af时，马氏体消失，合金完全回 复到原来的形状。但是具有热弹性马氏体 相变的材料并不都具有形状记忆效应，这 一点可以从热力学上给予证明，在此不详 细讨论。
表3-1 形状记忆合金的母相与马氏体结构
注：符号所代表的相结构 B2—CsCl或 β’Cu—Zn型立方有序结构； DO3— BiF3或BiLi3型面心立方有序结构；B19—β’AuCd型正交晶格；FCT—面心正交 晶格； Ll2—AuCu3 I型立方有序结构；BCT体心四方晶体。
新型材料—形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用
器（SMA）的减振技术和工程应用
1.前言
形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称 SMAs)是一种具有多种特殊力学性能的新型功能 材料,利用形状记忆合金超弹性效应 (Superelastic Effect,简称SE)设计的被动耗能器 不其他的金属耗能器相比,具有耐久性和耐腐蚀性 能好、使用期限长、允许大变形并且变形可回复 等一系列优点,因此在结构振动控制领域具有很好 的应用前景，被人们称为“跨二十世纪的理想材 料”。
图3为简化的形状记忆合金(SMA)超弹性 相变模型图。
由图可看到理想的形状 记忆合金(SMA)超弹性 相变过程： B点以前的变形是由母 相的弹性变形引起的； 从B点到C点的应变增 量是由于应力诱収的马 氏体相变所致；
图3 简化的SMA超弹性本构关系
在C点，试样中的奥 氏体几乎已经全部转 变为马氏体单晶，所 以从C点到D点的变形 原则上是由马氏体相 的弹性变形所引起的；
(2)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金制成各 种耗能器 ；
(3)使用一个简单的恒温控制器将奥氏体状态下的形 状记忆合金的温度控制在某一特定的温度上并使其产 生一定的预应变 ；
(4)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与结构的 离散点相联接 ； (5)利用形状记忆合金制成被动耗能器；
(6)在常温下将形状记忆合金丝预加载至弹性极限附 近，然后随同其他建筑材料一同植入基材内。
6.2剪刀型SMA耗能器构造及工作原理
拉伸型SMA耗能器
图5 剪力型SMA耗能器
(1)该耗能器由两块可移动挡板、两块固定挡板、 固定转轴、一根或多根NiTi丝及一块与结构斜撑 相连的活动钢板组成。
(2)该种耗能器的工作原理类似一把“剪刀”。两 块可动挡板通过固定转轴联结,组成两个“剪刀 臂”。在固定转轴的一侧,两个“剪刀臂”由一根 NiTi丝联结。
基于晶粒尺寸的形状记忆合金本构关系的研究
基于晶粒尺寸的形状记忆合金本构关系的研究具有形状记忆效应和超弹性等功能特性使得形状记忆合金受到广泛关注。
由于其温度和应力敏感特性,形状记忆合金在航空航天、机械、材料等领域有着广泛的应用。
其良好的生物相容性,使得其在生物医疗领域有很重要的应用。
形状记忆合金在加卸载循环中存在着应力滞回现象,降低了材料的能量转化效率,这就限制了材料的应用领域。
因此探究形状记忆合近本构关系对材料性能的影响因素就很有必要了。
本文基于一种弹塑性材料的率无关本构模型,提出一种新的本构模型来描述形状记忆合金相变过程的应力应变关系,并且探究晶粒尺寸对形状记忆合金性能的影响。
在模型中,认为材料在相变过程中没有塑性应变的产生,并且不考虑马氏体弹性变形,而且在马氏体弹性卸载阶段,认为马氏体的弹性模量等于奥氏体的弹性模量。
在此基础上进行了数值模拟,计算结果表明,该本构模型能很好地反映晶粒尺寸对形状记忆合金相变过程应力应变关系的影响,材料的相变应力随着晶粒尺寸的减小而增大;滞回环的面积随着晶粒尺寸的减小而减小;相变应变随着晶粒尺寸的减小而减小。
所有的计算结果均与实验结果相吻合。