ppt-形状记忆合金
合集下载
第三章形状记忆合金ppt课件
2020/9/23
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2020/9/23
研究表明，很多合金材料都具有SME， 但只有在形状变化过程中产生较大的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2020/9/23
研究表明，很多合金材料都具有SME， 但只有在形状变化过程中产生较大的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。
-ppt-形状记忆合金
1、Ni-Ti形状记忆合金
基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳， 耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、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。
用极薄的记忆合金材料
先在正常情况下按预定要求 做好，然后降低温度把它压 成一团，装进登月舱带上天 去。放到舱面上以后，在阳 光照射下温度升高，当达到 转变温度时，天线又“记” 起了自己的本来面貌，变成 一个巨大的半球形。
利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安
装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警 装置，达到报警的目的。
SMA火灾报警器
在航天上，可用形状记忆合金制作航天 用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面 形，在马氏体状态下压成团，送上太空后, 在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超 弹性合金作为机械储能材料也很有前景。
(2) 影响相变温度的因素
1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相变温度降低10℃。
2)第三元素: Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni可减少相变滞后，节约合金成 本；Nb使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。 4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。
二、形状记忆效应的性质
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c.
b.c.c
马氏体相变晶体学模型
马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
临界转变温度
☞马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变
②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移产生； ③母相和马氏体相均属有序结构
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
形状记忆合金PPT课件
LOGO
反之，如果升高温度，则转变就向相反 的方向进行，即马氏体逆转变为奥氏体，马氏体 片就缩小，甚至完全消失。在这种情况下，只要 马氏体界面上的共格性未被破坏，则马氏体片可 随着驱动力的改变而反复发生长大或缩小。具有 这种特征的马氏体称为“热弹性马氏体” 。
LOGO
高温 奥氏体相
降温 升温
低温 马氏体相(M)
LOGO
奥氏体相
加应力 卸载应力
马氏体相(M)
热弹性 超弹性
本质相同，都是由马氏体相变引起的
形状记忆机理总结
LOGO
形状记忆效应是由于合金中发生了热弹性或 应力诱发马氏体相变。
热弹性马氏体和应力诱发马氏体统称为弹性 马氏体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆 效应。
LOGO
形状记忆合金的分类及性能
下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状 态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形 状的现象。
相→相变 马氏体
马氏体相变
回顾
LOGO
Байду номын сангаас
相：系统中具有确定成分和结构的部分叫做相。
材料的一个相具有不同于其他相的物理、化学特性。当系 统的外在约束条件（如温度、压力等）改变时，物相将发 生改变，相变的同时，材料的性能也发生改变。
应力诱发马氏体相变
LOGO
超弹性(superelasticity)变形
对母相状态的样品在Af温度以上施加外力， 随外力增加，样品首先发生遵循虎克(Hook)定律 的弹性变形。应力超过弹性极限后，随应力的缓 慢增加，样品的应变显著增加，在一定的应变范 围内卸载，应变会完全消失，如同弹性变形，但 其应变量远远超出通常意义上的弹性变形，称之 为超弹性变形。其实质与弹性变形不同。
形状记忆 合金和聚合物PPT课件
套 管收缩形成紧固 密封件
42
No Image
No Image
超弹性的应用。如弹簧、接线柱、
眼镜架等。
43
No Image
No Image
高技术应用：人造卫星天线
图 Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线
美国宇航局的月面天线计划：
在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5
厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光
热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。
形状记忆效应的实质：
是在温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、 变化、消失的相变过程的宏观表现。
15
No Image
原子排列面的切应变
结构相同，位向 不同的马氏体
变形前后M 结构未变
变体界面移动， 相互吞食
形状记忆效应机制示意图
No
Image
No Image
30
No Image
（a）没放入热水前 (b) 放入热水后
(c)凉至室温后
双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况
以热水或热风为热源，开放温度为65℃~85℃，闭合温
度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。
31
No
2.3.3 FI e基m 形状记a 忆g 合金e
分为两类：
（1）热弹性马氏体相变 Fe-Pt, Fe-Pd, Fe-Ni-Co-Ti合金等；
28
No Image
No
2.3.2 I Cum 基形状a 记忆g 合金e
在已发现的形状记忆材料中铜基合金占的比例最 多，它们的一个共同点是母相均为体心立方结构。
主要由Cu-Zn和Cu-A1两个二元系发展而来。 通过第三元素可以有效地提高形状记忆
第4章形状记忆合金精品PPT课件
其中，应力－应变关系表现出明显的非线性，这种非线性 弹性和相变密切相关，叫相变伪弹性(Transformation Pseudoelasticity)，也叫超弹性。
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
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。
6形状记忆合金PPT课件
——这称为热弹性平衡状态。
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和 以前完全相同的母相
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 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、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 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，美国的Read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In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应 变场，随变体的长大，应变能不断增加
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和 以前完全相同的母相
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 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、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 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，美国的Read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In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应 变场，随变体的长大，应变能不断增加
形状记忆合金PPT课件
➢ 合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性的应 力场或晶体缺陷，相变时马氏体容易在这种缺陷处形 核，同时发生择优生长。
➢ 通过记忆训练(强制变形)获得双程记忆能力：
✓ 先获得单程记忆效应，记忆高温相的形状；
✓ 随后在低于Ms温度，根据需要形状进行一定限度的可恢复变 形；
✓ 加热到As以上温度，试样恢复到高温态形状后，又降低到Ms 以下，再变形试件，使之成为低温所需形状；
利用形状记忆元件传感和驱动特 性制造上下自动转换的百叶板。 安装在排气口的形状记忆线圈随 排气温度变化进行收缩或张开， 和另一侧偏动弹簧一起完成双程 动作，自动控制百叶板运动。
经10万次以上的动作后证实，形 状记忆特性没有任何下降。
2021
空调百叶板 35
混水阀
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。
2021
31
➢ 应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性 ，即使应变增大，矫正力却增加很少，永久应变 远远小于不锈钢丝，在大变形范围内可持续释放 比其他材料更加恒定的矫正力。
NiTi合金牙齿矫形丝
2021
32
NiTi矫形丝不仅操作简便，而且疗效也好，可减 轻患者的不适感。
1980年，中国就开始研制NiTi合金矫形丝，北京 有色金属研究总院与北京口腔医院合作，研制出 NiTi合金牙弓丝，称为“中国NiTi牙弓丝”。
2021
15
2021
16
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。
形状记忆合金原理PPT课件
2021
14
• 马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称 为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在 奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7）。马氏体形成时和母相
• 的界面上存在大的应变。
• 马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度 开始转变为马氏体，把这温度 标作Ms,加热时马氏体逆 变为母相，开始逆变的温度标为As。它们所包围的面积 称为热滞面积, 相变时的协作形变为范性形变时，一般 热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合 金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚
马氏体
2021
11
变 形 的 三 种 形 式
图3-3 形状记忆效20应21的三种形式
12
Question：
F
上述弹簧是否属于记忆合金？
2021
13
• 补充知识：
• 马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、 增强的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织 命名为马氏体。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20 世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和 合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和 Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前 广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。
•
马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或
顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺
形状记忆原理及应用PPT课件
高耐热SMA
[ 2 31]
Cu-24Al-3Mn合金淬火态马氏体透射电镜衍衬像和电子衍射花样 _
(a)淬火态衍衬像； _ _ (b) [010]_ 晶带轴衍射斑； (c) [461] _ _ 晶带轴衍射斑；
_
_
(d)[231]晶带轴衍射斑；(e)[10151]晶带轴衍射斑；(f) [232]晶带轴衍射斑
母相与马氏体相变的晶体学可逆性与有序点阵具有密切的 关系，晶体学可逆性通过有序点阵的形成自动得到保障，在母 相→马氏体→母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这 就是单程记忆效应的原因。上图中：a.将母相冷却到点以下进 行马氏体相变，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同， 但在晶体学上是等价的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏 体叫做马氏体变体(Variant),马氏体变体一般有24种，由于相 邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观变形； b.马氏体受外力作用时（加载），变体界面移动，相互吞食， 形成马氏体单晶，出现宏观变形；
宽滞后铜基记忆合金热收缩管接头的研制
SMA管接头应用原理
记忆管接头的优越性：
记忆管接头的优点： 用记忆管接头进行管道等的连接，具有装配 工艺简单、无污染等优点，在连接密集部件、 不可焊部件、人类不易达到区域的工程部件 （如深水工程、太空工程）、异种材料的连 接等方面更显示了其优越性。
传统铜基记忆合金管接头的缺点：
形状记忆原理 及应用
形状记忆合金（shape memory alloy）作为一种新型功能 材料已经被广泛使用。该合金可以认为是始于1963年美国海 军武器试验室（Naval Ordianace Laboratory）W.J.Buehler博 士的研究小组对TiNi合金的研究。他们发现TiNi合金构件因为 温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声 阻尼性能和温度相关。进一步研究发现，等原子比TiNi合金具 有良好的形状记忆效应。后来TiNi合金作为商品进入市场，给 等原子比的TiNi合金商品取名为NiTinol，后面的三个字母就是 该研究室的3个英文单词的第一个字母。目前形状记忆合金已 广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机 械、建筑、服装、玩具等各个领域。 形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形 状记忆聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马 氏体相变有关的形状记忆效应做基础性介绍。
《形状记忆合金》PPT课件
形状记忆合金的用途归纳
<1>汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃 料蒸发气体排出控制阀；<2>电子设备：电子炉灶换 气门的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾 感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、 温泉浴池调理器等；<3>安全器具：过热报警器、火 灾报警器、烟灰缸灭火栓等；<4>医疗方面：人工牙 根、牙齿矫正丝、导线等；<5>生活用品：自动干燥 库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出 口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转 换器、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防 止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼 镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携天线、装饰品等.
形状记忆合金的分类
〔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
形状记忆效应与形状记忆合金
一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性 变形,达到屈服点,就产生塑性变形,应力消除后 留下永久变形.但有些材料,在发生了塑性变形 后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形 状,这种现象叫做形状记忆效应〔SME〕.
具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属 元素组成的合金,称为形状记忆合金〔SMA〕
在室温下用形状记忆合金制 成抛物面天线,然后把它揉成 直径5厘米以下的小团,放入 阿波罗11号的舱内,在月面上 经太阳光的照射加热使它恢 复到原来的抛物面形状.这样 就能用空间有限的火箭舱运 送体积庞大的天线了.
形状记忆合金的用途〔二〕
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
各种医用引导丝和支架
Medical catheter and Stents
六、材料学方面的问题
形状记忆合金在应用上还存在不少材料学方面的问题.
⑴ 相变点调整：相变点与合金种类、成分及热处理条件 有关, 尤其对成分非常敏感。如Ti-Ni合金Ni含量(at)由 50%变到51%时，Ms点则由60℃变到-30℃，As点
1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合
金的形状记忆效应。
在一次试验中他们将试验用弯曲的镍-钛合金丝
拉直后升温试验时，发现已经被拉直的镍-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, 具有良好的形状记忆效应。
☞合金的这种记忆效应是由合金的 “相变 化”来实现的，随着温度的改变，合金的 结构从一相转变到另一相。 ☞记忆合金的开发迄今不过20余年，但由
（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。
三种记忆效应如下图所示。
目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi 基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基 形状记忆合金等。
二、形状记忆效应的机理
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c. b.c.c
(2) 影响相变温度的因素 1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加 0.1％，相变温度降低10℃。 2)第三元素: Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni 可减少相变滞后，节约合金成本；Nb使相变 滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。
4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。
只有将其加热到Af以上，由于热弹性马 氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形 成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点 阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只 能回到原有的母相状态，这样也就回复到原 状。这就是形状记忆的基本原理。
由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合
金应具备如下条件：
①马氏体相变是热弹性的；但只人所
瞩目，被誉为"神奇的功能材料"。
形状记忆效应
形状记忆效应
(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。
三、相变超弹性
马氏体还可由应力诱发产生， 在高于Ms 的某一温度（Md）以下对合金施加外力引起 马氏体相变所形成的马氏体称应力诱发马氏体。 应力去除后，变形马氏体又变回该温度下的稳 定母相，恢复母相原来形状，应变消失,这种 现象称超弹或伪弹性
☞应力诱发马氏体相变的合金的马氏体数量
为外加应力的函数，即当施加的外应力增加
图5.1马氏体相变晶体学模型
马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变
•固定取向关系
•马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
临界转变温度
☞马氏体相变与其他相变一样，具有可逆 性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相， 称为冷却相变，用Ms、Mf分别表示马氏 体相变开始与终了的温度。 ☞加热时发生马氏体逆变为母相的过程。 该逆相变的起始和终止温度分别用As与Af 表示。
基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳， 耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、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。
用极薄的记忆合金材料 先在正常情况下按预定要 求做好，然后降低温度把 它压成一团，装进登月舱 带上天去。放到舱面上以 后，在阳光照射下温度升 高，当达到转变温度时， 天线又“记”起了自己的本 来面貌，变成一个巨大的 半球形。
马氏体相变的一些临界温度
☞一般材料的相变温度滞后（As-Ms）非 常大，例如Fe-Ni合金约400℃。各个马氏 体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不 会随温度降低而再长大。 ☞在记忆合金中，相变滞后程度小，例如 Au-47.5%Cd（原子分数）合金的相变滞 后仅为15℃。冷却过程中形成的马氏体会 随着温度变化而继续长大或收缩，母相与 马氏体相的界面随之进行弹性式的推移。
件
②马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构
为孪晶或位错；
⑦母相和马氏体均为有序点阵结构； ④相变时在晶体学上具有完全可逆性。
☞必须指出的是：近来开发的铁系等少
量合金通过非热弹性马氏体相变也可显 示形状记忆效应，因此热弹性马氏体并 不是具有形状记忆效应的必要条件。 ☞近年来，在陶瓷材料、高分子材料也 发现了记忆效应。
(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)
形状记忆合金铆接件铆接示意图
利用形状记忆合金也可 以制作成消防报警装置及电 器设备的保安装置。当发生
火灾时，记忆合金制成的弹
簧 发生 形 变 ， 启动 消 防报
警装置，达到报警的目的。
SMA火灾报警器
五、形状记忆合金的应用(Applications)
形状记忆合金在工程上的应用很多，最早 的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、 密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件， 如一些与温度有关的传感及自动控制。
1. 工业上的应用
⑴连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量 最大的一项用途。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。
(3) 合金制备
☞由高纯电介镍与海绵钛作原料，采用高
频感应炉与自耗炉(电弧熔炼法)或等离子 体与电弧熔炼法获得了TiNi合金铸锭。 ☞随后在700~800℃进行热加工，包括模 锻、挤压及轧制。丝状产品可通过冷拔， 每次加工率小于20％，为消除加工硬化， 冷加工期间可在700-800℃进行多次退火。
形状记忆合金
一、形状记忆效应
二、形状记忆效应的机理(Mechanism)
三、相变超弹性(Pseudoelasticity) 四、形状记忆合金材料(SMA Materials)
五、形状记忆合金的应用(Applications)
六、材料学方面的问题(Problems)
形状记忆效应:
施加应力马氏体沿 应力方向择优形成 （Md以下），有明 显形状变化
卸除应力马氏体 逆转变回母相 （Af以上），形 状变化消失
四、形状记忆合金材料
已发现的形状记忆合金种类很多，可 以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。 目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni 系合金和铜系合金。
1、Ni-Ti形状记忆合金
马氏体的再取向
对组织为自适应马氏体的样品施加外力时， 在较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方 向与外加应力相适应而再取向。 即变体的应变方向与外加应力方向最接近的 变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相适 应的变体而长大，直至整个样品内的各个不同 取向的变体最终转变成一个变体。样品显示出 宏观形状的变化。卸去应力后，变形保持下来。
形状记忆效应与其组织变化有关，这种组 织变化就是马氏体相变。形状记忆合金应具备 以下三个条件：
①马氏体相变是热弹性类型的；
②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通 过滑移产生； ③母相和马氏体相均属有序结构。
马氏体的自适应形成
由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。 显然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中 的方向是不同的。 当某一变体在母相中形成时，产生某一方 向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加， 变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已 形成的变体周围会形成新的变体，新变体的应 变方向与已形成的变体的应变场互相抵消或部 分抵消。有均匀体积变化，无明显形状改变。
基本相－ TiNi相：
注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随 后的冷却不够快(如炉冷)，就会产生Ti2Ni和Ni3Ti这
三个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因
而破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。
☞ 表征材料记忆性能的主要参数：包括
记忆合金随温度变化所表现出的形状回复 程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，也 就是经历一定热循环或应力循环后记忆特 性的衰减情况。此外，相变温度及正、逆 相变的温度滞后更是关键参数。 ☞影响记忆特性主要参数的因素有：合 金的成分、成材工艺、热处理(包括冷、 热加工)条件及其使用情况等。
在航天上，可用形状记忆合金制作航天 用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面 形，在马氏体状态下压成团，送上太空后, 在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超 弹性合金作为机械储能材料也很有前景。
利用超弹性可制作手机天线、眼镜架、胸衣托 架、耳机托架等。
用记忆合金制作的眼 镜架。当这种眼镜架 弯曲时，只要将它放 入55。C的温水中，即 可恢复到原来的形状 。
由78℃变到-12℃。对Ti-Ni合金可用不同相变点粉末
混合, 使相变点控制在±2℃之内。 ⑵ 淬透性：合金缓冷时大多要发生共析分解，需要提高 淬透性, 可通过合金化解决。如在Cu-Zn合金中加Al.
作业： 1.简述三种形状记忆效应？ 2.试举两例说明形状记忆合金的应用。
时，母相转变成马氏体相的数量增加，当应
力减少时则进行逆相变使母相增多。
☞ 外应力对诱发相变的作用不仅与合金种类
有关，而且受试验温度的影响。在Ms以上， 某一定温度以下，应力或形变会导致马氏体 的形成，将此温度称为Md温度。
形状记忆过程
马氏体自适应形 （Ms – Mf） 宏观均匀变形， 无明显形状变化 马氏体再取向 （ Mf以下施 加一定限度内 的应力），有 明显形状变化 超弹性过程 马氏体逆转变回 母相，形状变化 消失