形状记忆合金(SMA)讲解
cu-基形状记忆合金
cu-基形状记忆合金Cu-基形状记忆合金（Cu-based shape memory alloys，简称Cu-SMA）是一类以铜为主要成分的形状记忆合金。
它们具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗器械等领域。
Cu-基形状记忆合金通常由铜、镍、锌、钛等元素组成，其中铜和镍是主要元素。
Cu-基形状记忆合金的主要性能特点如下：1. 形状记忆效应：在一定的温度范围内，合金发生相变，从而实现自变形和恢复原状的能力。
2. 超弹性：Cu-基形状记忆合金在变形过程中，具有很高的弹性极限和应变恢复能力。
3. 良好的疲劳性能：Cu-SMA在反复变形过程中，具有较低的疲劳极限和良好的耐疲劳性能。
4. 耐腐蚀性：Cu-基形状记忆合金具有较好的耐腐蚀性能，适用于腐蚀环境下的应用。
5. 易于加工：Cu-SMA具有较高的塑性，可以采用传统的金属加工方法进行加工和成型。
根据组成和性能特点，Cu-基形状记忆合金可分为以下几类：1. Cu-Ni系：这是最常用的Cu-基形状记忆合金，具有较好的形状记忆效应和超弹性。
Cu-Ni合金中，镍含量一般在30%-50%之间。
2. Cu-Zn系：Cu-Zn合金具有较高的抗拉强度和耐腐蚀性能，但形状记忆效应相对较差。
锌含量一般在10%-40%之间。
3. Cu-Ti系：Cu-Ti合金具有较高的弹性极限和抗拉强度，但在高温下易发生相变。
钛含量一般在5%-15%之间。
4. Cu-Ni-Ti系：这是近年来发展较快的一类Cu-基形状记忆合金，具有优良的形状记忆效应、超弹性和耐腐蚀性能。
镍和钛的含量分别在30%-50%和5%-15%之间。
Cu-基形状记忆合金在我国的研发和应用取得了显著成果，已成功应用于航空航天、汽车、电子、医疗器械等领域。
未来，随着科学技术的进步和市场需求的增长，Cu-SMA在我国的发展前景十分广阔。
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。
新型材料—形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用
摘要形状记忆合金是一种在结构振动控制领域具有广泛应用前景的智能材料。
本文介绍形状记忆合金最显著的两个性质：状记忆效应和超弹性，并详细的总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。
关键字：形状记忆合金；减振；应用ABSTRACTThe shape memory alloy is an intelligent material，which has a goodprospect in the field of structural vibration control．This thesis introduces that the shape memory alloy has two very important characteristics：shape memory effect and super elastic，and an overview of SMA applications in structuralvibration control are summarized．KEYWORDS：Shape memory alloy；Damping；Application1 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)设计的被动耗能器与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[1-4]。
形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。
例如,Graesser[5]等人提出的用于桥梁结构的2 形状记忆合金的发展历程形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者Olander在AuCd 合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1:1的CsCI型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变，但是都未引起人们足够的注意。
形状记忆合金的性质,应用及效应机制
片状马氏体
板条马氏体
针状马氏体
马氏体相变：
它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 转变为马氏体的过程。
可 以 恰 当 而 简 练 的 定 义 为“ 原 子 联 动 所 引 起 的 切 变 型 点 阵 相 变 ”。母 相 中 的 原 子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常 小 ，因 而 逆 相 变 时 母 相 变 体 完 全 固 定 不 变 。这 样 一 来 ，逆 相 变 时 必 然 选 取 原 位 向 的 母 相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出 现 滑 移 ，由 滑 移 导 致 的 变 形 即 使 加 热 也 消 除 不 了 。热 弹 性 马 氏 体 相 变 发 生 的 不 是 滑 移 ， 而 是 另 一 种 基 本 的 形 变 机 制 — — 孪 生 。从 微 观 上 看 ，晶 体 原 子 排 列 沿 某 一 特 定 面 镜 像 对 称 。那 个 面 叫 孪 晶 面（ 孪 晶 是 指 两 个 晶 体（ 或 一 个 晶 体 的 两 部 分 ）沿 一 个 公 共 晶 面 构 成 镜 面 对 称 的 位 向 关 系 ， 这 两 个 晶 体 就 称 为 " 孪 晶 " ， 此 公 共 晶 面 就 称 孪 晶 面 ）。 即 实 际 上 它 是 由 位 向 互 为 孪 晶 关 系 的 两 种 马 氏 体 区 构 成 ，每 一 个 马 氏 体 和 母 相 点 阵 之 间 具 有 晶 体 学 上 等 价 的 特 定 点 阵 对 应 关 系 。这 种 具 有 点 阵 对 应 关 系 的 每 个 马 氏 体 称 为 对 应变体。
形状记忆合金
1、形状记忆 2、超弹性 3、高阻尼特性 4、耐磨性 5、逆形状记忆特性
1、形状记忆 形状记忆合金在低于M。点的温度下进行热弹性马 2、超弹性 氏体相变，生成大量马氏体变体 (结构相同、取向 不同)，变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都 3、高阻尼特性 很低，易于迁移，能有效地衰减振动、冲击等外来 机械能，因此阻尼特性特别好，可用做防振材料和 4 、耐磨性 消声材料． 5、逆形状记忆特性
高温用形状记忆合金
Cu—Al—Ni合金通过降Al提高相变点的方法可以提 高使用温度，其典型成分为Cu一12AI一5Ni一2Mn—Ti， 可用做100～200℃下动作的热敏元件．Cu—11．9AI一 2．5Mn合金M。在150℃附近，有较高的抗马氏体稳定 化、抗分解能力，有望得到广泛应用¨7I．在Ti—Ni合金 中以Hf、Pd、Pt、Au、Zr等贵金属取代部分Ti(Ni)，可以 显著提高相变温度．高温用形状记忆合金在热驱动器、 继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景
1、形状记忆 在形状记忆合金中独有Ti—Ni合金在高温相 (CsCl 型体心立方结构)状态下同时具有极好的 2 、超弹性 耐腐蚀性和耐磨性． 可用作在化工介质中接触滑动部位的机械 3、高阻尼特性 密封材料，原子能反应堆中用做冷却水泵机械 4 、耐磨性 密封件，冷却水净化系统可以长期不检修． 5、逆形状记忆特性
1、形状记忆 2、超弹性 3、高阻尼特性 4、耐磨性 5、逆形状记忆特性
3、1963年，美国海军武 器实验室布勒(Buehler) 等
合金在某一温度下受外力而变形， 1、形状记忆 当外力去除后，仍保持其变形后 2、超弹性 的形状，但当温度上升到某一温 3、高阻尼特性 度，材料会自动回复到变形前原 4 、耐磨性 有的形状，似乎对以前的形状保 5、逆形状记忆特性 持记忆
形状记忆合金及其应用
形状记忆合金及其应用一、何为形状记忆合金1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）。
这种能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，SME）。
二、形状记忆合金的分类SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。
两项自由能之差作为相变驱动力。
两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。
只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。
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。
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、形状记忆合金的物理模型虽然早在上个世纪30年代，人们就发现了一些合金的形状记忆效应，但是直到70年代Muller等人提出SMA材料的本构关系模型以来，有关形状记忆合金的机理和本构模型的研究才取得了一定的进展[1]。
SMA的模型可大致分为两类：微观热力学模型、宏观现象学模型。
微观热力学模型有助于了解材料宏观特性的微观机理，揭示SMA的物理本质。
微观热力学模型主要有从相界运动的动力学角度给出的本构模型和以能量耗散理论为依据的细观力学模型[2,3]。
形状记忆合金
形狀記憶合金形狀記憶合金，Shape Memory Alloy(SMA)，是一種加熱後能恢復其原有形狀的特殊合金。
最早是在1951年時，在Au-Cu合金中發現具有形狀記憶的特性，之後又陸續在許多合金中發現有類似的反應，目前較引人注目的有Ti-Ni系合金及Cu系合金。
而形狀記憶合金所表現出來的特性有兩種，一種是形狀記憶效應(Shape Memory Effect，SME)，一種是擬彈性效應(Pseudeoelastic Effect)。
形狀記憶合金的特色一般金屬的塑性變形乃是由於差排的移動，而差排移動之後造成的塑性變形無法用加熱方法使其恢復形狀。
在形狀記憶合金中，當材料溫度降低，一種新的結構，我們稱之為麻田散相，會自原來的結構（我們稱之為奧斯田母相）中長出。
而其過程為可逆的，當溫度升高時，會轉換成奧斯田母相。
形狀記憶效應是利用當溫度低於麻田散相轉換溫度時，若外力超過彈性極限，材料結構會重新排列，使材料產生如塑性變形的情形，當溫度升高時，麻田散相會轉換回原來的奧斯田母相，而記得原來的樣子。
當溫度高於麻田散相轉換溫度，外加應力一樣會促使奧斯田母相產生麻田散相而得到如塑?岒雱峈滷“峞A，但是若外力去除，不穩定的麻田散相將轉換回母相，此時其“塑性變形“會隨之消失，故稱此種效應為擬彈性效應。
一班來說，金屬的彈性變形量只有２％，形狀記憶合金能夠承受的彈性變形量是一般金屬的四到五倍。
而形狀記憶效應或擬彈性效應的發生，完全取決於材料的麻田散轉換溫度相對於測試溫度的變化，如（圖一）是發生此兩種效應的應力及溫度範圍相對於滑移臨界應力的關係。
（圖二）形狀記憶效應與擬彈性效應的示意圖。
如何製作形狀記憶合金使用形狀記憶合金最重要的就是它的麻田散相轉換溫度，此一轉換溫度會因經歷此寸、外加應力、熱循環次數....等因素而改變，其中以合金成份的改變對麻田散相轉換溫度的影響最劇烈，以Cu-Zn-Al記憶合金來說，增加一個重量百分比的鋅會使麻田散相轉換溫度下降51℃；增加一個重量百分比的鋁會使麻田散相轉換溫度下降134.5℃之多，因此成份的控制包括正確的百分比及均勻的品質將非常重要。
形状记忆合金的制备与性能测试技巧
形状记忆合金的制备与性能测试技巧形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有记忆性能的功能性材料，具有独特的特性和广泛的应用前景。
本文将介绍形状记忆合金的制备方法和性能测试技巧。
一、形状记忆合金的制备方法1. 熔融法制备：通过熔融、凝固和热处理等步骤制备形状记忆合金。
首先，将合金成分按照一定比例混合，在高温下熔化形成合金液体。
然后，将液体注入模具或通过快速凝固技术将其固化为非晶态合金。
最后，通过热处理使非晶态合金转变为具有形状记忆性能的单相合金。
2. 粉末冶金法制备：首先，将合金元素粉末按照一定比例、粒度混合，形成合金粉末。
然后，将合金粉末压制成型，形成尺寸精确的坯料。
最后，通过热处理使坯料转变为具有形状记忆性能的合金。
3. 化学沉积法制备：通过溶液中金属离子的还原沉积，制备形状记忆合金薄膜。
首先，准备包含金属盐的溶液，然后通过电解或化学方法将金属离子还原沉积在基材表面，形成合金薄膜。
二、形状记忆合金的性能测试技巧1. 形状记忆性能测试：形状记忆性能是形状记忆合金的重要指标之一。
通过加载和卸载循环实验，可以测试合金在不同温度条件下的形状记忆性能。
测试时需要记录载荷-位移曲线，以评估合金的形状恢复特性。
2. 变形能力测试：形状记忆合金具有良好的变形能力，可以实现大范围的弹性变形。
通过拉伸试验、弯曲试验等方式，可以测试合金的变形能力和变形行为。
3. 疲劳性能测试：形状记忆合金需要经历大量的变形循环，在长期使用中具有良好的疲劳性能。
通过疲劳试验，可以评估合金在循环加载下的耐久性能和寿命。
4. 硬度测试：硬度是衡量形状记忆合金力学性能的重要指标之一。
通过微硬度仪等设备进行硬度测试，可以了解合金的抗变形能力和硬度值。
5. 热分析测试：通过差示扫描量热仪（DSC）等设备进行热分析，可以测试合金的相变温度、热峰值等热性能参数，以评估合金的热稳定性。
6. 微观结构分析：通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等设备进行结构观察和分析，可以了解合金的晶界、相变等微观结构特征，以揭示形状记忆机制。
形状记忆合金名词解释
形状记忆合金名词解释
形状记忆合金，简称SMA（Shape Memory Alloy），是一种具有记忆能力的特殊金属材料。
它在经历一定的变形之后，可以通过受热或其他外界刺激的方式恢复到最初的形状。
这种记忆效应是由于SMA 内部晶体结构的特殊性质所致。
形状记忆合金广泛应用于各个领域，包括机械、航空航天、医疗和电子等。
它具有优异的弹性、耐腐蚀性和耐疲劳性，可用于制造变形器件、阀门以及控制系统等。
其独特的性能和应用前景使得形状记忆合金成为材料科学和工程学领域的研究热点之一。
形状记忆合金讲演讲解
冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功 能
的食道癌患者提高了生活质量。
（a）预压缩
（b）受热扩张后 （c）植入腔道内效果
展发与用应
生活方面应用 记忆眼镜框
利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，如果不小心被碰弯曲 了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。而且这种眼镜 框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。
展发与用应
机械电子方面应用 工业机器人夹持器
利用形状记忆合金的单程记 忆效应，考虑到返程的动作。 所以要那个两片形状记忆驱 动元件构成差动结构来完成 反复动作。当SMA1弹簧通电 加热而产生收缩变形时，便 带动摆杆向内摆动，加紧工 件。若SMA1断电，通电加热 SMA2弹簧，则后者伸长变形 而推开摆杆放松工件。
究
高控制精度和反 应速度。
现有的 SMA 模型在 实际工程应用中都 还存在一些缺陷 , 如何克服这些缺点 , 从而精确地模拟出 SMA 的材料行为也 是一个需要研究的 重要课题。
在医学应用方面 , 还需继续研究 SMA 的生物相容性。 SMA 作为一种新型 功能材料 , 其加工 和制备工艺较难 控制 , 目前还没有 形成一条 SMA 自动 生产线 ,此外材料
展发与用应
生活方面应用 温度敏感开关
如图所示，把一普通的偏置弹 簧与形状记忆合金做成的弹簧 串联起来，当温度升高到上限 温度时，形状记忆合金收缩， 切断开关；当温度达到下限温 度时，偏置弹簧的力超过了形 状记忆合金弹簧的力，使电路 接通。它可用作温室窗户开闭 器、室内空调器的阀门、汽车 散热器的风扇离合器、防火用 的灭火器等，很有开发前景。
类分
类分
按驱动方式可分为两类
形状记忆合金(SMA)讲解
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
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后 马氏体与母相的平衡温度
∆G（T）PM是母相转变为马氏体的驱动力； ∆Gc PM是母相转变为马氏体的化学驱动力 （∆Gc PM=G M -G P）；∆Gnc PM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。
热弹性马氏体相变
• 热弹性马氏体相变的晶体学特征
– 具有晶体学可逆性：表现为马氏体晶体结构在 逆相变中回复到了原来母相的晶体结构，以及 在晶体位向上也得到了完全的回复 – β相合金的晶体结构持征及其分类
• • β合金：母相是体心立方结构类型的形状记忆合金 β合金分3类
– 马氏体相的周期堆垛结构 – 热弹性马氏体相变中的晶体结构对应关系
• •
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 • 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
马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性
• 马氏体内一定有晶体缺陷存在，这些缺陷 包括孪晶、高密度位错、层错等
– 高碳钢晶体缺陷：孪晶 – 底碳钢晶体缺陷：高密度位错 – 有色合金晶体缺陷：层错或孪晶
• 马氏体相变具有可逆性：在冷却过程中形 成的马氏体，经过加热后可以通过马氏体 逆转变回到母相状态。
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
生物医疗
用于医学领域的 TiNi形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面 的要求，即良好的生物相容性。TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上 TiNi合金主要应用有：
(a)牙齿矫形丝用超弹性 TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi合金丝是最适宜的。 通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr合金丝，但这些材料有弹性模量高、弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力， 在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产 生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变（stress-induced martensite）使弹性模量呈现非线型特性，即应变增 大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它 压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来 的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。
另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射 期间的污染。
分类
形状记忆效应
伪弹性
形状记忆效应
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。
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。
其它
在工程和建筑领域用 TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥 梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。
形状记忆合金
形状记忆合金shape memory alloy定义：具有形状记忆效应的合金。
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，压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由两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。
起源1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。
记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"神奇的功能材料"。
20世纪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Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol（Ni-Ti-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。
镍钛合金形状记忆合金的特性及用途
形状记忆合金（简称SMA）是一种新型的功能材料,它已成为功能材料领域的研究热点之一。
本文介绍了形状记忆合金的特性，综述了形状记忆合金的发展历程、研究现状及应用特点，最后分析了形状记忆合金的发展趋势。
关键词：形状记忆合金；功能材料；形状记忆效应一．引言形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。
二．形状记忆合金的特性1．形状记忆效应：形状记忆合金经适当的热处理后具有恢复形状的能力,这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory effect简称SME)。
形状记忆效应按恢复情况分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。
2．超弹性效应：形状记忆合金受到外力时发生形变,去除外力后就恢复原状，这种现象称为超弹性。
形状记忆合金在发生超弹性形变时,诱发了马氏体相变, 去除外力后,又发生马氏体逆相变。
3．阻尼特性：形状记忆合金由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)及界面运动,而具有很好的阻尼特性。
4．电阻特性：吴小东等研究表明,对于初始组织为马氏体的Ni-Ti合金,在拉伸过程中电阻与应变之间呈线性关系;对于初始组织为奥氏体或奥氏体、马氏体两者混合的Ni-Ti合金,当发生应力诱发马氏体相变后,曲线的斜率降低,相变前后电阻-应变关系保持线性关系。
三．形状记忆合金的研究进展形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的[7]。
1963年,美国海军武器实验室布勒(Buehler)等发现了钛镍合金具有形状记忆效应[8]。
1964年Cu-Al-Ni也被发现有这种效应[9]。
70年代以后，科学家又在304奥氏体不锈钢和Fe-18.5Mn中发现了这种效应[10]。
sma材料
sma材料
SMA材料课程简介
SMA材料（Shape Memory Alloy）是一种特殊的金属合金材料，在应力-应变条件下具有独特的形状记忆性质。
当受到外界刺激（如温度、应力等）时，SMA材料可以从一个形状恢复到其原始的形状。
这种形状记忆特性使得SMA材料在许多领域具有广泛的应用，如航空航天、汽车、医疗器械等。
本课程旨在介绍SMA材料的基本性质、制备方法以及应用领域。
学生将通过理论讲解和实践操作来深入了解SMA材料的原理和特性，并掌握其在实际生产和应用中的运用。
课程内容包括以下几个方面：
一、SMA材料的基本原理和特性
1. 形状记忆效应的原理
2. 超弹性特性的原理
3. 扩散相变的机制
二、SMA材料的制备方法
1. 熔融法制备SMA材料
2. 光热法制备SMA材料
3. 电化学法制备SMA材料
三、SMA材料的应用领域
1. 航空航天领域中的应用
2. 汽车工业中的应用
3. 医疗器械领域中的应用
4. 其他领域的应用
四、实践操作
1. SMA材料的制备实验
2. SMA材料的性能测试实验
3. SMA材料的应用案例分析
五、学习成果展示和讨论
学生将根据课程要求完成一个SMA材料的应用项目，并进行成果展示和讨论。
通过学习，学生将深入了解SMA材料的原理、制备方法和应用领域，并通过实践操作来巩固所学知识。
本课程适合材料科学与工程、机械工程、航空航天工程等相关专业的本科生和研究生。
通过学习本课程，学生将掌握SMA 材料的基本理论和实际应用技能，为未来工作和研究提供有力的支持和指导。
形状记忆合金执行器疲劳寿命
形状记忆合金执行器疲劳寿命
形状记忆合金（SMA）执行器是一种智能材料，它可以根据外部刺激（如温度、应力或磁场）改变形状，并且在去除刺激后能够恢复原状。
SMA执行器在许多领域都有广泛的应用，包括医疗器械、航空航天、汽车工业等。
关于SMA执行器的疲劳寿命，有以下几个方面需要考虑：
1. 循环次数，SMA执行器的疲劳寿命通常与其循环次数有关。
在不断的形状改变和恢复过程中，SMA执行器会经历应力的变化，这会影响其疲劳寿命。
因此，对于特定的SMA执行器，需要进行循环寿命测试来确定其在特定应力范围内的使用寿命。
2. 温度影响，SMA执行器的工作温度也会对其疲劳寿命产生影响。
在高温下，SMA执行器的疲劳寿命可能会缩短，因为高温会加速材料的老化过程。
因此，在设计和使用SMA执行器时，需要考虑其工作温度范围，以确保其疲劳寿命符合预期要求。
3. 应力水平，SMA执行器在工作过程中所承受的应力水平也会影响其疲劳寿命。
过高或过低的应力都可能导致疲劳寿命的缩短。
因此，在设计SMA执行器时，需要合理确定其工作应力范围，以延
长其疲劳寿命。
总的来说，SMA执行器的疲劳寿命受到多种因素的影响，包括循环次数、工作温度和应力水平等。
在实际应用中，需要综合考虑这些因素，并通过实验和仿真等手段来评估和预测SMA执行器的疲劳寿命，以确保其可靠性和稳定性。
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Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程 依成分和预处 理条件的不同 母相 母相 马氏体 R相 马氏体 加铁、时效
相变过程都 是热弹性马 氏体相变
R相变出现 记忆效应由两个 相变阶段贡献
R相变不出现 记忆效应由单 一相变贡献
（二） 合金元素对Ti-Ni合金相变的影响
加入合金元素调整相变点
例：加Cu置换Ni 形状记忆效应、力学性能， 合金的价格显著降低 , 加入 Cu 对相变温度有显著影响 , 相变 温区 ( M s - M f ) 、 ( A f - A s ) 都变窄 , 窄滞后记忆合金 例：加Nb 可得到很宽滞后的记忆合金
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
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后 马氏体与母相的平衡温度
∆G（T）PM是母相转变为马氏体的驱动力； ∆Gc PM是母相转变为马氏体的化学驱动力 （∆Gc PM=G M -G P）；∆Gnc PM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
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 – 除钢外，纯金属Li、Ti、Hg、Tl、Pu、Co，合金AuCd、 CuAl、AgZn、CuZn、TiNi，化合物半导体BaTiO3、 ZrO2，非金属材料V3Si，也存在马氏体相变
• •
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 • 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
（一） Cu基记忆合金中的基本相和相变 Cu基记忆合金的成分范围通 常在相区 相区成分的合金 高温淬 火冷却 亚稳的有序'相 热弹性马氏 体相变转变 马氏体 加热 冷却 Cu-Zn-Al合金相图的垂直截 面图(6 wt%Al)
（二） Cu-Zn-Al基记忆合金的稳定性及其影响因素 稳定性 － 相变点、记忆性能、力学性能、化学 影响相变点的因素：
奥氏体
马氏体 9CrSi
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。 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。 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
3. 根据马氏体相变及其逆相变的温度滞后(As－Ms)大小分
热弹性马氏体相变
• 热弹性马氏体相变的一般特征
– 马氏体量是温度的函数 – 相变温度滞后小，相变驱动力小 – 相界面与马氏体晶界有良好的协调性
•
两类热弹性马氏体相变
– 第一类热弹性马氏体相变：Ms—Mf间隔小，且 As>Ms – 第一类热弹性马氏体相变：Ms—Mf间隔大，且 As<Ms
3.1.2 应力马氏体相变
Cu34.7Zn3.0Sn单晶试样在不同温度的应力－应变曲线
形状记忆原理示意图
3.1.3形状记忆效应
形状记忆效应的三种形式
3.2 形状记忆合金材料
• 镍－钛系 • 铜系 • 铁系
3.2.1 Ti-Ni基形状记忆合金 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 晶体结构是B2(CsCl结构)的母相 结构是棱面体点阵的R相 基本相－ TiNi相： （适当的热处理或成分条件下出现） 马氏体的结构为单斜晶体 析出相：Ti2Ni和Ni3Ti这三个金属间化合物，对记忆 效应有影响 T
第3章 形状记忆合金（SMA)
形状记忆效应简易演示实验
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
3.2.2 Cu基形状记忆合金
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-Zn-X(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） Cu-Al合金Al含量高时γ 2相也随之析出不利于记忆效 应。加入Ni可抑制γ 2相析出,从而发展出Cu-Al-Ni系记 忆合金。加入其它组元进一步提高性能（多元合金）
力学性能及改善方法：
Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金的性能比较
合金 性能 抗拉强度 (MPa) 屈服强度 (MPa) 延伸率(%) 耐蚀性 生物相容性
Ni-Ti
1000
50 - 200 (马氏体相) 100 - 600（母相）
Cu-Zn-Al
700
50 - 150（马氏体相) 50 - 350（母相）
马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性
• 马氏体内一定有晶体缺陷存在，这些缺陷 包括孪晶、高密度位错、层错等
– 高碳钢晶体缺陷：孪晶 – 底碳钢晶体缺陷：高密度位错 – 有色合金晶体缺陷：层错或孪晶
• 马氏体相变具有可逆性：在冷却过程中形 成的马氏体，经过加热后可以通过马氏体 逆转变回到母相状态。
热弹性马氏体相变
20 - 60 好 好
8 -12 比黄铜略好 差
改善方法：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 添加微量元素是细化晶粒主要采用的方法：通过单 独或联合添加对 Cu 固溶度很小的元素，如 B 、 Cr 、 Ce、Pb、Ti、V、Zr等再辅以适当的热处理。 例1：Cu-Zn-Al合金经b相区固溶处理后平均晶粒尺 寸约为 1mm ，加入 w(B)0.01% ，晶粒尺寸降至约 0.1mm，加入w(B)0.025% ，晶粒尺寸降至约 50mm。 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。
• 马氏体相变的三种分类方式
1. 按相变驱动力的大小分
• • • 大，几百cal/mol， 小，几cal/mol～几十cal/mol 变温马氏体转变 ，马氏体的生成量是温度的函数
I. 马氏体片的数量虽温度而改变 II. 马氏体片的大小随温度而变
2. 按马氏体的形成方式分
• • •
等温马氏体转变 ，马氏体的生成量是时间的函数 小，热弹性马氏体 大，非热弹性马氏体
形状记忆材料种类
形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA) 形状记忆陶瓷 高分子材料 —— 晶态－玻璃态相变
马氏体 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
成分：
Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)%
热循环：随热循环次数的增加相变点会变化。在 大多数情况下Ms、Af温度升高，而As和Mf下降或 保持不变。同时马氏体次数后相 变点与马氏体转变量都趋于稳定值。
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。