记忆金属PPT课件
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形状记忆合金PPT课件
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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” 。
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高温 奥氏体相
降温 升温
低温 马氏体相(M)
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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
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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。
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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
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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
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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。
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。
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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）
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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
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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
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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。
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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）
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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
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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
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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
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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
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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。
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形状记忆合金原理PPT课件
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• 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
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变 形 的 三 种 形 式
图3-3 形状记忆效20应21的三种形式
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Question：
F
上述弹簧是否属于记忆合金？
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• 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
4形状记忆合金PPT课件
马氏体相变分三步进行
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马氏体相变的G-T转变模型
{11}1 //1{1}0a',差1 110 //111a' ，差 2
3
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。
普通金属材料
形状记忆合金
4
形状记忆效应简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
5
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
形状记忆合金 Shape Memory Alloys
1
形状记忆合金概述
❖ 发展历史 ❖ 基本概念
形状记忆效应及其临界温度 热弹性马氏体相变 马氏体变体与自协作 应力诱发马氏体相变 相变伪弹性(超弹性)
2Hale Waihona Puke 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
15
马氏体相变
❖马氏体相变的热力学持征 ❖马氏体相变机制的几个晶体学经典模型
Bain转变模型 K-S转变模型 西山转变模型 G-T转变模型
16
马氏体相变的热力学持征
❖相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自 于新旧两相的自出能差
❖马氏体相变时需要较大的驱动力。这主要是 由于相转变时的切变过程需要很高的塑性变 形能，用以产生浮凸，产生高密度位错或孪 晶等，同时，为了维持两相的共格，以及因 体积的变化会引起晶格的弹性畸变，导致较 大的能量提高。所以，马氏体相变的的驱动 力主要是为了克服相变时的切变阻力和变形 阻力，包括弹性变形和塑性变形。
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马氏体相变的G-T转变模型
{11}1 //1{1}0a',差1 110 //111a' ，差 2
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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。
普通金属材料
形状记忆合金
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形状记忆效应简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
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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
形状记忆合金 Shape Memory Alloys
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形状记忆合金概述
❖ 发展历史 ❖ 基本概念
形状记忆效应及其临界温度 热弹性马氏体相变 马氏体变体与自协作 应力诱发马氏体相变 相变伪弹性(超弹性)
2Hale Waihona Puke 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
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马氏体相变
❖马氏体相变的热力学持征 ❖马氏体相变机制的几个晶体学经典模型
Bain转变模型 K-S转变模型 西山转变模型 G-T转变模型
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马氏体相变的热力学持征
❖相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自 于新旧两相的自出能差
❖马氏体相变时需要较大的驱动力。这主要是 由于相转变时的切变过程需要很高的塑性变 形能，用以产生浮凸，产生高密度位错或孪 晶等，同时，为了维持两相的共格，以及因 体积的变化会引起晶格的弹性畸变，导致较 大的能量提高。所以，马氏体相变的的驱动 力主要是为了克服相变时的切变阻力和变形 阻力，包括弹性变形和塑性变形。
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〕
记忆金属PPT课件
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材料 工艺
Material and Te c h n o l o g y
哈伦顿棒
记忆金属概述
1.4 记忆金属的产品
脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻 病性、特发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受 到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不 锈钢制哈伦敦棒 矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊 柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就 会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损 伤的危险。同 时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正力降到初 始时的30%时，就需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在 精神和肉体上都造成极大 痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦 顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力 有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温 约高 5℃，就能恢复足够的矫正力。
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材料 工艺
Material and Te c h n o l o g y
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记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义
原理
记忆金属是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生 变化的规律。其高温相具有较高的结构对称性，通常为有 序立方结构。例如，镍-钛合 金在40oC以上和40oC以下 的晶体结构是不同的，但温度在40oC上下变化时，合金 就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。这里，40oC 就是镍-钛 记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己 的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温 时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉 直 时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变 态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。
相关主题
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记忆金属概述
1.3 记忆金属的应用
医学应用：
TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹 性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形 丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏 修补元件、人造肾脏用微型泵等。
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记忆金属又叫形状记忆合金
记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义
形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够 记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下，受到 一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的 原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。而当合金在高于相变态温度下， 施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后， 可利用直接释放应力的方式使其恢复 到变形前的原始形状，此 种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或 超弹性（Super Elasticity），表现为这种合金能承载比一般金 属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。这两种形状记忆合金所拥 有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。
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记忆金属概述
1.3 记忆金属的应用
工业应用：
（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天 线、套环等。
（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助 外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
材料 工艺
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记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义
至今为止发现的记忆合金体系
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Au-Cd Ag-Cd Cu-Zn Cu-Zn-Al Cu-Zn-Sn Cu-Zn-Si Cu-Sn Cu-Zn-Ga In-Ti Au-Cu-Zn NiAl Fe-Pt Ti-Ni Ti-Ni-Pd Ti-Nb U-Nb Fe-Mn-Si
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材料 工艺
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记忆金属概述
1.3 记忆金属的应用
工业应用：
（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天 线、套环等。
（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助 外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
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材料 工艺
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记忆金属概述
1.2 记忆金属的发展
早在1951年美国人在一次试验中偶然发现了金-镉合金有 形状记忆特性，当时并未引起重视，
1953年又在铟-铊合金发现这类效应， 1963年发现镍-钛合金具有形状记忆特性后，掀起了这类 合金研究的热潮，并产生了多种实用化的新思想，新的形状记 忆合金应运而生，后来还发现了具有双向记忆效应，即铆钉如 用双向记忆合金制作时，把铆好的铆钉重新降温后，铆钉又会 变直，
WUHAN
UNIVERSITY
OF
TECHNOLOGY
&材 料
工艺
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材料 工艺
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记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义 1.2 记忆金属的发展 1.3 记忆金属的应用 1.4 记忆金属的产品
（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降 做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、 可靠性差，不常用。
（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。
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材料 工艺
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（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。
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。
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材料 工艺
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记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义
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。
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记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义
原理
记忆金属是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生 变化的规律。其高温相具有较高的结构对称性，通常为有 序立方结构。例如，镍-钛合 金在40oC以上和40oC以下 的晶体结构是不同的，但温度在40oC上下变化时，合金 就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。这里，40oC 就是镍-钛 记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己 的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温 时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉 直 时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变 态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。
材料 工艺
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特点总结
记忆金属概述
1.1 记忆金属的定义
1.弯曲量大，塑性高
2.在记忆温度以上恢复以前形状。
3.物理特性：当温度达到某一数值时，材料内部的 晶体结 构会发生变化，从而导致了外形的变化。
4.无磁性、耐磨耐蚀、无毒性
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