非调质钢形状记忆合金
形状记忆合金
形状记忆合金 具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金 属元素构成的合金，故称为形状记忆合金 (Shape Memory Alloys，简称SMA)。 20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、 超导材料中发现形状记忆效应。
形状记忆合金
形状记忆效应可分为3种类型：
①单程形状记忆效应
②双程形状记忆效应 ③全程形状记忆效应
冷却
A
加热
M
可逆性
形状记忆合金 具有较 低的对 称性的 正交或 单斜晶 系，内 部是孪 晶变形 或层错
具有较 高的对 称性的 立方点 阵
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。
形状记忆合金
形状记忆合金晶体结构变化模型
超弹性或伪弹性
产生热弹性马氏体相变的形 状记忆合金，在Af温度以上 诱发产生的马氏体只在应力 作用下才能稳定地存在，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。其中应 力与应变的关系表现出明显 的非线性，这种非线性弹性 和相变密切相关，叫做相变 伪弹性 或超弹性
双程形状记忆效应
形状记忆合金 全程形状记忆效应——当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为形状相同而取向相反 的高温相形状的现象。只能在 富镍的Ti- Ni合金中出现。
全程形状记忆效应
形状记忆合金
马氏体相变与形状记忆原理
热弹性马氏体相变 超弹性和伪弹性 应力诱发马氏体相变
形状记忆合金
马氏体相变与形状记忆原理 大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体 相变而呈现形状记忆效应。 普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加 热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷 却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。
记 忆 合 金
另一套具有自身“思想” 的衣服是跳舞衣，其底沿 可自动上下移动.
随温度变化而变化的汤匙
• 常温下这个金属勺子是直的，只有放进热的饮料或者用其 他方法加热之后才会弯曲，冷却后又会变直.
形状记忆合金弹簧控制浴室水管的水温
一般恒温
高灵敏度控制
• 通过SMA形状记忆合金弹簧与一般偏置弹簧间的相互平衡作用，自动 调节冷热水的混合比例，消除因湿度突然变化而引起的不适.
.
航天上的应用
• 形状记忆合金被用作 人造卫星或宇宙飞船 上的半球形的网状自 展天线.先把天线在低 温下折叠成小团放在 卫星或飞船里，发射 或升空后，通过加热 或利用太阳能能使天 线从折叠状态展开成 工作状态.
• 灯具——“花瓣”采 用镍钛记忆合金材料， “花瓣”在相应的温 度下慢慢绽放.
镍钛记忆合金“花瓣”
பைடு நூலகம்
记忆合金材料镜架
• 例如用记忆合金制作的眼镜架，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.
有 思 想
的 衣 服
“花衣”的花瓣由丝绸和 毛布制成，并含有镍钛诺 材料的细丝.镍钛诺是一 种“外形记忆合金”，能 根据不同温度而变成不同 形状.一个定制电子板通 过具有导电性的线头同人 造花连在一起，使每朵花 每隔15秒钟绽放和合拢一 次，有点像人呼吸般的频 率，仿佛穿衣服的主人在 和这朵花谈话交流.
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.
分类
记忆合金肋骨骨折接骨板
骨的断接 接过骨骨 合程固用记 在中定的忆 一产，骨合 起生而板金
形状记忆合金原理
形状记忆合金原理形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属材料，它可以在受到外界刺激后恢复到其原本的形状。
这种材料的原理是基于其微观结构和相变特性，通过外界刺激实现形状的变化和恢复。
形状记忆合金在医疗、航空航天、汽车等领域有着广泛的应用，其原理和性能备受关注。
形状记忆合金的原理主要基于其晶体结构和相变特性。
晶体结构是材料内部原子排列的规律性，形状记忆合金的晶体结构具有特殊的特点，使其在受到外界刺激后能够发生相变。
相变是指材料在一定条件下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程，形状记忆合金通过相变实现形状的变化和恢复。
形状记忆合金的应用领域非常广泛，其中医疗领域是其重要的应用之一。
形状记忆合金可以制成医疗器械，如支架和植入物，通过其形状记忆的特性可以在植入后恢复到原本的形状，从而减少手术创伤和提高治疗效果。
此外，形状记忆合金还可以用于制作牙齿矫正器和矫形器等医疗器械，为患者提供更加舒适和有效的治疗方案。
在航空航天领域，形状记忆合金也有着重要的应用。
由于其轻量化和形状记忆的特性，形状记忆合金可以制成航空航天器件的关键部件，如襟翼、起落架和阀门等。
这些部件在受到外界刺激后可以实现形状的变化和恢复，从而提高航空航天器件的性能和可靠性。
此外，形状记忆合金还可以用于汽车领域。
通过在汽车零部件中应用形状记忆合金，可以实现汽车零部件的自修复和形状调整，从而延长零部件的使用寿命和提高汽车的安全性能。
总的来说，形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属材料，其原理基于晶体结构和相变特性。
形状记忆合金在医疗、航空航天、汽车等领域有着广泛的应用，通过其形状记忆的特性可以实现形状的变化和恢复，为各个领域提供了全新的解决方案。
随着材料科学的不断发展，相信形状记忆合金在未来会有更加广阔的应用前景。
形状记忆合金材料
3.铁系形状记忆合金
•
与Ni-Ti基及Cu基合金相比，铁基合金价格低、
加工性好、机械强度高、使用方便。目前已发现
的铁基形状记忆合金的成分、结构和性能，其中
应用前景最好的合金是FeMnSiCrNi和FeMnCoTi
系。
铁基形状记忆合金的成分和性能
四、形状记忆合金的应用
却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，弯度回升
是马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体 叫热弹性马氏体。
•
•
在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，
形成的马氏体叫应力诱发马氏体。 有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏 体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马 氏体叫应力弹性马氏体。
•
如在NiTi合金中,加入W,会产生明显的固溶 强化,提高NiTiW合金的强度和力学性能。但是W
的加入不会改变整个NiTi合金的相变温度。
2.Cu系形状记忆合金
•
Cu基记忆合金分为Cu-Al系和Cu-Zn系,比NiTi
合金生产成本低(10%),而且加工性能好,应用日益
广泛,但是相变温度稳定性差,韧性不好;但是价格
四、形状记忆合金的应用
五、形状记忆合金的发展
六、形状记忆合金的制备
一、形状记忆效应
原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到 一定值时，它又恢复到原来弯曲的形状。人们把 这种现象称为形状记忆效应（SMF），具有形状
记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆效应有三种形式:单程形状记忆效应，
双程形状记忆效应，全程形状记忆效应。
4.马氏体相变
•
材料科学中的形状记忆合金应用
材料科学中的形状记忆合金应用随着科技的不断进步和发展，材料科学在现代产业中扮演着越来越重要的角色。
形状记忆合金作为一种新型材料，在各个领域都有着广泛的应用。
本文将重点介绍形状记忆合金的特点及其应用于生产制造和医疗领域的情况。
一、形状记忆合金的概述形状记忆合金，简称SMA，是一种具有记忆性能的智能材料。
它可以在外界条件变化的刺激下，通过膨胀、收缩、扭曲等形变，以回忆并恢复其预先设定的原始形状。
SMA独特的性质使得它应用在许多领域中，如生产制造、医疗、航空航天等，是一种非常有前景的材料。
二、形状记忆合金的特点1、具有高延展性和强韧度SMA的延展性很强，硬度也相对较高，可以避免在形状改变时断裂或断裂。
这意味着SMA可以在复杂的情况下执行工作任务，例如微型操纵或机械器件的旋转。
2、恢复高频率形状SMA能够以高频率收缩和膨胀，这是因为它的形状记忆机制与传统材料不同。
SMA在变形时需要耗费能量，而这种能量可以显著地快速释放。
因此，在需要快速形状改变的应用中，SMA通常是首选的材料之一。
3、自修复特性优良当SMA遇到轻微的撞击或压力时，具有自我给排氧的能力，并且可以很容易地自我修复。
这种特性使得SMA可以在高压或高温环境下操作，提高了其使用寿命。
三、形状记忆合金在生产制造领域的应用1、飞机零部件SMA通常在飞机机翼等结构中应用，例如作为弯曲和伸缩的元件、使托架或座椅框架易弯曲的关节。
该材料也可以用于航空航天制造中的翼尖，具有改善飞机稳定性的作用。
2、汽车零部件SMA可以用于汽车安全气囊中。
当气囊装置被激活时，SMA 可将包含气囊的体积扩大至数倍，形状的恢复速度也非常快。
四、形状记忆合金在医疗领域的应用1、牙套SMA材料可以被用于矫正牙齿的牙套中。
与传统的钢丝相比，SMA具有更好的恢复能力，更容易适应患者口腔内的形态，可以更好地适应患者需求。
2、内科医学器械SMA也可以被用于泌尿科等领域中的医疗器械中。
例如，可以用SMA制作支架，帮助患者治疗排尿障碍和结石等疾病。
形状记忆合金的原理
形状记忆合金的原理
形状记忆合金（SMA）是一种具有特殊形状记忆性能的金属合金材料，它可以在受到外部刺激后恢复到其原始形状。
这种材料在工程、医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景，因此其原理和特性备受关注。
形状记忆合金的原理主要基于固态相变和晶体结构的特殊性质。
在常温下，形
状记忆合金处于一种称为马氏体的相态，此时材料呈现出一种特定的形状。
当受到外部力或温度变化等刺激时，马氏体会发生相变，转变为奥氏体相，从而使材料发生形状变化。
一旦外部刺激消失，材料又会恢复到原始的马氏体相态，恢复原来的形状。
形状记忆合金的这种特殊性质主要源于其晶体结构的特殊性。
在马氏体相态下，形状记忆合金的晶体结构呈现出一种扭曲的形态，这种扭曲结构使得材料能够存储和记忆原始形状。
当马氏体发生相变为奥氏体时，晶体结构重新排列，从而导致材料形状发生变化。
而当外部刺激消失时，晶体结构又会重新排列回马氏体相态，使得材料能够恢复原来的形状。
除了形状记忆性能，形状记忆合金还具有超弹性和耐腐蚀等优良性能。
这使得
它在医学领域有着广泛的应用，例如用于支架和植入物等医疗器械。
在航空航天领域，形状记忆合金也可以用于制造具有自修复功能的材料，提高材料的使用寿命和安全性。
总的来说，形状记忆合金的原理基于固态相变和晶体结构的特殊性质，使得它
具有形状记忆、超弹性和耐腐蚀等优良性能。
这种材料在工程、医学、航空航天等领域有着广泛的应用前景，对于推动材料科学和工程技术的发展具有重要意义。
形状记忆合金
形状记忆合金形状记忆合金简称「记忆合金」，是一种功能性金属材料，能在一定条件下恢复原来的形状。
换句话说，这种合金对形状有记忆能力，而且它的「记性」相当好，有些在反复改变500万次后，仍能在一定条件下恢复原状，普通金属就没有这个本领。
「记忆合金」具有记忆能力，这是在偶然情况下发现的。
1958年美国某海军研究员奉命研制新式武器，并领回了一些镍钛合金丝。
由于这些合金丝弯弯曲曲，研究人员就把它们一根一根拉直。
但在实验过程中却惊奇地发现，当温度升到某定值时，镍钛合金丝竟然全部恢复到原来弯弯曲曲的形状。
即使多次反复试验，结果还是相同。
「记忆合金」为什么具有记忆能力呢?金属是由相同原子紧密堆积而成的，合金则是由不同的金属原子堆积形成的。
由于金属原子的大小和结构各有不同，合金形成的条件也相异，因而形成不同的晶体结构，分为「沃斯田体结构」和「麻田散体结构」，两种结构间的转换则称为「沃斯田体相变」。
一般都认为「记忆合金」具有麻田散体相变，加热到相变温度时，就从「麻田散体结构」转变成「沃斯田体结构」，恢复原来的形状。
换句话说，具有「麻田散体相变」的合金，在相变温度时具有记忆能力，这种相变温度就称作「记忆合金」的「记忆温度」。
到目前为止，已知具有形状记忆能力的合金主要有3类:铁基合金;镍–钛合金;铜基合金，如铜–锌–铝、铜–铝–镍等。
这些「记忆合金」各有千秋，如镍–钛合金的性能好，可靠性强，但价格贵。
铜基合金价格较便宜，只有镍–钛合金的10%，但可靠性差。
至于铁基合金的价格则最便宜，刚性好，强度也大，又易加工。
此外，金–镉、铟–铊合金也具有记忆能力，但因价格太贵了，应用并不多。
记忆合金由于具有特殊的记忆功能，得以广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源、自动化等方面。
镍–钛合金的应用比较广泛，因为它的「记忆温度」可以藉由成分来调节。
一般来说，镍含量高的记忆温度就会降低。
例如，50%镍和50%钛的合金记忆温度是摄氏40度，但55%镍和45%钛的合金在室温下就具有记忆能力了。
什么是形状记忆合金
什么是形状记忆合金有一种记忆方法是形状记忆法，你在运用过这种方法吗?那你有知道什么是形状记忆合金吗?下面和一起来了解什么是形状记忆合金吧，希望对你有帮助!形状记忆合金的定义形状记忆合金(Shape Memory Alloys,)，简称SMA，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆"效应的合金。
在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。
人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。
发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。
形状记忆合金简介形状记忆合金(shape memory alloy)在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。
记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。
形状记忆合金具有形状记忆效应(shape memory effect) ，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。
也可以制作成消防报警装置及电器设备的保险装置。
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。
还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。
形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用于各类温度传感器触发器中。
形状记忆合金另一种重要性质是伪弹性(pseudoelasticity，又称超弹性，superelasticity) ，表现为在外力作用下，形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力，即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复[2-3] 。
形状记忆合金
形状记忆合金090201 王晓刚20090573引言形状记忆合金（Shape Memory Alloys,SMA）是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复其变形前原始形状的合金材料。
除上述形状记忆效应外，这种合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性”，英文pseudoelasticity）行为，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。
形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。
形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect SME)。
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回复应变和较大形状回复力的时候,才具有利用价值。
到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。
形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。
形状记忆合金的发展史最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。
他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。
后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。
直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。
到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。
几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。
在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。
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是一种具有特殊记忆性能的金属材料，它可以在经历形变后恢复到原来的形状。
这种金属材料具有许多独特的特性，因此在许多领域具有广泛的应用。
本文将介绍形状记忆合金的机理及其在工程、医疗、航空航天等领域的应用。
形状记忆合金的机理形状记忆合金最常见的例子是钛镍合金，它是一种由钛和镍组成的合金材料。
形状记忆合金的记忆效应是其最显著的特性之一，这是由其特殊的晶体结构和相变特性所决定的。
在常温条件下，形状记忆合金处于其高温相状态，即奥氏体相。
在这种状态下，合金具有良好的塑性和可形变性，可以通过外力进行形变而不会发生破裂。
当形状记忆合金被加热到一定温度时，会发生相变，转变为低温相状态，即马氏体相。
在这种状态下，合金会恢复到原来的形状，消除之前的形变痕迹。
形状记忆合金的相变过程是通过应力诱导和温度诱导两种方式进行的。
应力诱导相变是指在受到外力作用时，合金会发生相变，从而产生形变，而温度诱导相变则是指在特定温度下发生相变，使合金恢复原来的形状。
由于其特殊的记忆性能，形状记忆合金在许多领域具有广泛的应用。
在工程领域，形状记忆合金被广泛应用于机械和汽车领域。
可以将形状记忆合金用于制造汽车零部件，如车身结构和发动机零件，以提高汽车的安全性能和耐久性。
形状记忆合金还可以用于制造高性能阀门、管道连接件等，以应对极端工况下的压力和温度变化。
在医疗领域，形状记忆合金被广泛应用于医疗器械和植入物。
可以将形状记忆合金用于制造支架和植入内置器件，如心脏起搏器和血管支架，以治疗心血管疾病和其他疾病。
形状记忆合金还可以用于制造牙齿矫正器和关节假体，以改善患者的生活质量。
形状记忆合金具有独特的记忆性能和优异的物理特性，使其在工程、医疗、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展，形状记忆合金将会有更加广泛的应用和推广，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
形状记忆合金
“记忆”的合金 记忆” 记忆
形状记忆合金（ 形状记忆合金（SMA） ）
• 形状记忆效应（SME）： 形状记忆效应（ ）：如果将具有热弹 ）： 性转变的合金在一定条件下施加外力或将 其冷却到该合金的Ms点（或Mf）点以下并 使之发生形状改变，如果再将这种合金加 热到高温相状态（即As点以上）使马氏体 发生逆转变，此时合金又会自动地恢复到 变形前的形状。这种现象称为“形状记忆 效应”。
5) 记忆合金在医疗上的应用 。例如接骨用的骨板，不但能 例如接骨用的骨板， 将两段断骨固定， 将两段断骨固定，而且在恢复原形状的过程中产生压缩 迫使断骨接合在一起。齿科用的矫齿丝， 力，迫使断骨接合在一起。齿科用的矫齿丝，结扎脑动 脉瘤和输精管的长夹，脊柱矫直用的支板等， 脉瘤和输精管的长夹，脊柱矫直用的支板等，都是在植 入人体内后靠体温的作用启动， 入人体内后靠体温的作用启动，血栓滤器也是一种记忆 合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后， 合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成 网状， 网状，从而阻止 95％的凝血块流向心脏和肺部。 ％的凝血块流向心脏和肺部。
将SMA(Ni-Ti)线外包一层硅橡 线外包一层硅橡 胶，SMA线在高温下记忆图 (c) 线在高温下记忆图 的形状后， 的形状后，在室温下可加工成 的形状。 图(a)的形状。使用时，SMA线 的形状 使用时， 线 可通电发热，因记忆效应， 可通电发热，因记忆效应，手 臂重新闭合如图(b)形状 形状； 臂重新闭合如图 形状；冷却 对可回复至张开状态。 对可回复至张开状态。
格栅片使用形状记忆合金， 格栅片使用形状记忆合金， 可利用形状记忆合金的变形 来实现旋转的： 来实现旋转的：热机时打开 格栅片，可缩短热机时间； 格栅片，可缩短热机时间； 在行驶时关闭格栅片， 在行驶时关闭格栅片，可减 小进入发动机室的空气流量， 小进入发动机室的空气流量， 从而减小空气阻力。 从而减小空气阻力。
金属功能材料-3-形状记忆合金
发展历程
起源
形状记忆合金最初在20世纪30年代被发现，但直到1960年代才开 始受到广泛关注。
应用拓展
随着研究的深入和技术的发展，形状记忆合金的应用领域不断拓展， 涉及航空航天、医疗器械、汽车等多个领域。
未来展望
随着科技的不断进步和应用需求的增加，形状记忆合金在未来有望 在更多领域得到应用，并发挥重要作用。
其应用领域。
多功能形状记忆合金
02
开发同时具备形状记忆效应、超弹性、阻尼性能等功能的合金，
满足更复杂的应用需求。
生物相容性形状记忆合金
03
研究可用于生物医学领域的生物相容性形状记忆合金，如用于
人体植入物的材料。
技术创新
01
02
03
加工工艺改进
优化现有加工工艺，提高 形状记忆合金的制造成本 和效率。
金属功能材料-3-形状记忆合金
目录
• 形状记忆合金简介 • 形状记忆合金的应用 • 形状记忆合金的未来发展 • 形状记忆合金面临的挑战与解决方案
01
形状记忆合金简介
定义与特性
定义
形状记忆合金是一种具有形状记 忆功能的金属材料，能够在加热 或冷却过程中恢复其原始形状。
特性
具有高强度、高弹性、耐腐蚀、 耐磨等特点，同时能够在变形后 恢复原始形状，广泛应用于航空 航天、医疗器械、汽车等领域。
其他领域
智能机器人
形状记忆合金可以用于智能机器人的关节和执行器，实现机器人的自适应运动和精确控制。
智能纺织品
形状记忆合金可以与纺织品结合，制作智能纺织品，如智能服装、智能鞋帽等，实现服装的自适应调整和智能化 管理。
03
形状记忆合金的未来发 展
新材料研发
形状记忆合金介绍
形状记忆合金介绍形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一种特殊的金属合金材料，具有特殊的能力可以记住并恢复其原始的形状。
这种材料可以在受到应力或温度变化时发生可逆的相变，与传统的金属材料不同，形状记忆合金拥有可塑性和形状记忆性能，使其在许多工业和科学应用中具有广泛的用途。
形状记忆合金最早是由美国海军的研究人员在20世纪60年代发现的，当时他们在试图找到一种用于制造可以回收利用的海上漏斗的材料。
他们意外地发现，在加热后这种合金会从受到挤压的形状恢复到原始形状。
这项发现引起了广泛的兴趣，并带来了许多关于形状记忆合金的研究与应用。
形状记忆合金的独特性质源于其原子结构的特殊排列。
在一定条件下，形状记忆合金通过两种相变（Austenite相和Martensite相）之间的相互转换来实现形状记忆效应。
当合金处于高温下时，原子结构会呈现出名为Austenite相的排列，此时合金处于高弹性形状。
当温度下降到临界温度以下时，合金会自发地转变为Martensite相，从而改变形状。
当再次加热合金时，它会恢复到原始的Austenite相形状。
形状记忆合金具有许多独特的性能和应用。
首先，它们具有良好的弹性形变能力，可以在受到应力时发生可逆的形变。
这使得形状记忆合金在医疗器械、航天航空等领域的应用十分广泛。
例如，在血管支架的制造过程中，形状记忆合金可以在体内经历较小的创伤，然后回复到原始形状，从而血管得以保持畅通。
其次，形状记忆合金具有优异的耐腐蚀性能，这使得它们在海洋工程、汽车制造等领域的应用广泛。
相较于其它材料，形状记忆合金在恶劣环境中的使用寿命更长，并且不会轻易受到腐蚀。
另外，形状记忆合金的温度相变性能使其具有温度感应的应用潜力。
例如，在建筑中，可以利用形状记忆合金的温度相变特性来控制窗帘、百叶窗等遮阳装置的开闭，从而实现智能化的节能设计。
形状记忆合金还具有记忆效应可逆性、高纯度制备等优点。
非调质钢形状记忆合金
轴套类零件
调质件 （螺杆）
柴油机凸轮轴
破碎机主轴
结构 特点:
1.多 数是 由同 轴的 回转 体组 成；
2.径
轮盘类零件
高强螺栓
柴油机连杆
齿轮
曲轴
调质钢的力学性能要求
在机器制造业中,调质钢常用来制造各种轴类零件、连杆、高强度螺栓等,受力状况 较复杂.例如,轴类零件工作时,既传递转距又承受弯曲作用,承受的力是交变动负荷； 有时还承受一定冲击载荷作用；轴颈部位还作相对运动,产生一定的摩擦磨损.其力学 性能要求：高的屈服点和疲劳强度,良好的冲击韧度和塑性,即具有良好的综合力学性 能.同时,还要考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能.一般调质钢的性能范围大致 为：σb800～1200MPa,σS700～1000MPa,δ8～15％,αK60～120J/cm2,TK＜ －40℃.
<2> 微合金非调质钢的分类
表2.* 非调质钢的分类及牌号表示方法
表2.5 非调质钢按用途分类
<2> 微合金非调质钢的分类
表2.5* 几种热锻用非调质结构钢的化学成分<质量分数,%>
按化学成分分类 可分为两大类. i低碳非调质钢 此类非调质钢的碳含量一般控制在0.25％ 以下,即在低碳钢的基础上,加上微合金元素如V、Nb、Ti、N 等. ii中碳非调质钢 而此类非调质钢的碳含量一般控制在0.25 ％～0.55％之间.在此基础上加入微合金元素V、Nb、Ti、N、 Al等,有的还要加上Cu、Si等.
③ 微合金非调质钢的冶金工艺特点
i冶炼 冶炼非调质钢时,均要首先充分脱氧,然后再进行合金化.保证 钢中含有稳定和适量的N,对控制微合金非调质钢的性能是十 分重要的.非调质钢在冶炼时常加入Al、Ti等元素,通过析出 AlN、TiN来钉扎A晶界,提高A晶粒长大激活能量,在加热时阻 止晶粒长大,在形变过程中抑制A再结晶,细化A晶粒.微合金元 素的复合加入比单独加入作用更大. ii先进的TMCP技术 微合金化与TMCP相结合,才能充分发挥微合金化元素的作用 ,才能达到最佳的强韧化效果.对于轧制<锻制>并经切削加工后
形状记忆合金
1.马氏体相变与形状记忆效应 马氏体相变与形状记忆效应 2. Ni-Ti系形状记忆合金 系形状记忆合金 3.铜-基形状记忆合金 铜 基形状记忆合金 4.铁基形状记忆合金 铁基形状记忆合金 5.其他形状记忆合金 其他形状记忆合金 6. 形状记忆陶瓷 7. 形状记忆合金的应用
(2) 温度的单程与双程形状记忆
将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为马氏体开 将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为马氏体开 始相变温度M 继续冷却到马氏体相变停止的温度称为M 始相变温度 s，继续冷却到马氏体相变停止的温度称为 f；将处于低温 的马氏体相加热，到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为A 的马氏体相加热，到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为 s，继续 加温到某一温度，马氏体相全部转变到原母相的状态，此温度为A 加温到某一温度，马氏体相全部转变到原母相的状态，此温度为 f。通常
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(1) 形状记忆合金的特性
合金在某一温度下变形后，仍保持其变形的形状， 合金在某一温度下变形后，仍保持其变形的形状，但当温度升高到某 一温度时，其形状恢复到变形前的原形状，即对以前的形状保持记忆特性， 一温度时，其形状恢复到变形前的原形状，即对以前的形状保持记忆特性， 称为形状记忆效应 形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图1 形状记忆效应。 称为形状记忆效应。形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图 所示。 所示。
图1 形状记忆效应和超弹性 a) 普通金属；b) 超弹性；c) 形状记忆 普通金属； 超弹性；
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普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后可恢复到原来形状， 普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后可恢复到原来形状， 无永久变形，但当变形超过弹性范围时再去除载荷， 无永久变形，但当变形超过弹性范围时再去除载荷，材料不能恢复到原来 形状而保留永久变形，加热并不能使此永久变形消除，如图1a所示 所示。 形状而保留永久变形，加热并不能使此永久变形消除，如图 所示。而形 状记忆合金在变形超过弹性范围时，去载后虽也有残留变形， 状记忆合金在变形超过弹性范围时，去载后虽也有残留变形，但当加热到 某一温度时，残留变形消失而恢复到原来形状，如图1c。另外， 某一温度时，残留变形消失而恢复到原来形状，如图 。另外，形状记忆 合金变形超过弹性范围后，在某一程度内，当去除载荷后， 合金变形超过弹性范围后，在某一程度内，当去除载荷后，也能徐徐返回 原形，如图1b所示 这一特性称为超弹性 所示， 超弹性。 合金， 原形，如图 所示，这一特性称为超弹性。如CuAINi合金，当伸长超过 合金 20%(大于弹性极限 后，去载仍可恢复。 大于弹性极限)后 去载仍可恢复。 大于弹性极限
形状记忆合金棒材
形状记忆合金棒材概述形状记忆合金棒材是一种具有特殊形状记忆性能的材料，广泛应用于各个领域。
它能够在外力作用下发生形状改变，并在去除外力后恢复到原始形状，具有很高的弹性和可塑性。
本文将对形状记忆合金棒材的特性、制备方法、应用领域等进行探讨。
特性形状记忆合金棒材具有以下特性： 1. 形状记忆性能：形状记忆合金棒材在加热或受力作用下能够发生形状改变，并在去除外力后恢复到原始形状。
这种特性使得它可以用于制作自动控制、自修复等功能性材料。
2. 高弹性和可塑性：形状记忆合金棒材具有很高的弹性和可塑性，可以承受较大的变形而不会破裂。
这使得它在工程领域中得到广泛应用。
3. 耐腐蚀性：形状记忆合金棒材具有良好的耐腐蚀性能，可以在恶劣环境中长期稳定使用。
制备方法形状记忆合金棒材的制备方法主要包括以下几个步骤： 1. 材料选择：选择适合制备形状记忆合金棒材的合金材料，常用的有镍钛合金、铜锌铝合金等。
2. 材料合成：将选定的合金材料按照一定的比例混合，并进行熔炼或粉末冶金等方法制备成形状记忆合金棒材的原料。
3. 热处理：将原料进行热处理，通过控制温度和时间等参数，使其获得特定的晶体结构和形状记忆性能。
4. 成型加工：将经过热处理的材料进行机械加工，如拉伸、压制等，制备成符合要求的形状记忆合金棒材。
应用领域形状记忆合金棒材在各个领域都有广泛的应用，以下是几个典型的应用领域： 1. 医疗器械：形状记忆合金棒材可以制作成各种医疗器械，如支架、夹具等。
它们可以在体内发生形状改变，适应不同的治疗需求，提高治疗效果。
2. 机械工程：形状记忆合金棒材可以用于制作各种机械零件，如弹簧、连接件等。
它们具有高弹性和可塑性，可以承受较大的变形而不会破裂，提高机械设备的可靠性和寿命。
3. 自动控制：形状记忆合金棒材可以用于制作自动控制系统中的传感器和执行器。
通过改变形状记忆合金棒材的形状，可以实现对系统的自动控制和调节。
4. 航空航天：形状记忆合金棒材可以用于制作飞机和航天器的结构件，如襟翼、舵面等。
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回火索氏体
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轴套类零件
调质件 （螺杆）
柴油机凸轮轴
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破碎机主体组成；
2.径向尺寸 远远大于轴 向尺寸；
3.零件上常 见结构：均 匀分布的孔、 轮辐，键槽、 等结构。
轮盘类零件
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高强螺栓
柴油机连杆
齿轮
曲轴
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调质钢的力学性能要求
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想 一 想 ：？
微 合 金 非 调 质 钢
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2. 节能降耗的非调质机械结构钢
（1）微合金非调质钢的概念与发展过程
（2）微合金非调质钢的分类
（3）微合金非调质钢应用现状与实例分析
（4）微合金非调质钢发展与研究动向
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（1）微合金非调质钢的概念与发展过程
第二次石油危机后，在节能动力推动下和微合金化技术基础上，1972年德国蒂森特钢公司 开发成功第一代非调质钢49MnVS3（F+P组织类型）以来,世界各国对此产生了浓厚的兴趣, 都竞相研究和应用非调质钢,由于韧性差,限制了应用范围。
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调质钢的热处理工艺特点
预备热处理 退火（正火）； 最终热处理 调质（＋表面淬火）。
真空淬火炉
调质处理车间
网带式回火电炉
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调质钢的淬透性、合金化与热处理
为保证工件表层足够深度能够被淬透从而得到较高的强度,要求钢材应具有足够淬 透性（如右下图所示）,在钢中添加适量的Cr、Mn、Mo、Ni、B等合金元素可明 显提高钢的淬透性和强度。钢中合金元素含量越高,其淬透性以及强度也就越高,但 相应的生产成本也就明显增加。含硼钢由于合金成本方面的优势具有重要的发展潜 力。此外,淬火介质的冷却能力越大,淬硬层越深。
艺
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何谓“微合金非调质结构钢” 呢 ？
为保证工件在调质淬火处理时不产生明显 的热处理变形,又要求钢中合金元素含量应控 制在合理范围内,且淬火介质的冷却能力也受 到一定限制。严格控制碳含量及合金元素含 量的波动范围可实现均匀的淬透性(窄淬透性 带)并明显降低热处理变形。
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典型调质钢简介
连杆螺栓及其热处理工艺曲线图
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内燃机曲轴
第二代非调质钢开发于80年代初, 主要有铁素体-珠光体和贝氏体型两大类, 是当前用量最大 的非调质钢,为提高F-P型非调质钢的韧性,开发了一系列新技术:晶粒细化法、促进晶内F (IGF)形成技术、氧化物冶金技术;贝氏体型非调质钢具有良好的强韧性, 适合于代替合金调质 钢; 为改善非调质钢切削性能, 各国又研制了易切削非调质钢。
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2.1.6 微合金非调质钢与贝氏体钢
1.常用调质钢回顾 2.微合金非调质钢 3.贝氏体钢
柴油机连杆
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何谓“机器制造用钢 （机械结构用钢）”？
机械结构用钢（机器制造或机器零件用钢）系 指用于制造各类机器零件，如轴类机械零件、齿 轮类机械零件、弹簧类机械零件等所用的钢种。
它包括调质钢，表面硬化钢（渗碳钢和渗氮 钢），弹簧钢，滚动轴承钢，易切削钢等。
预习内容
3.1 用途广泛的工程塑料
3.2 可以流动的晶体 ——
液晶高分子材料
(参见教材P84～96)
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本次课程内容
2.1.5 微合金非调质钢（P32 ～ 35） 2.6 阿波罗飞船登月所用天线与形状记
忆合金材料（P306 ～ 312） 1.6 “资料查询与新型材料综述”写法
指导（P9～15）
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1. 常用调质钢回顾
淬火成马氏体后在500～650℃之间的温度范围内回火的调质处理用结 构钢，称为调质钢。经调质处理后，钢的强度，塑性韧性具有良好的配合 （即具有良好的综合力学性能）。调质钢在化学成分上是中碳（0.25～ 0.5%C）的碳钢、低合金钢和中合金钢，其对应组织为S回火。调质钢种有 4 5 ， Cr 系 （ 4 0 Cr、40CrSi），Cr-Mn 系 （ 4 0 CrMn），Cr-Ni 系 （40CrNiMo），含硼钢（40MnB）等。
①何谓“微合金非调质钢”？ 如下图所示为调质钢（b图）和非调质钢
（a图）这两类钢典型的生产工艺流程。由比较可见，非调质钢由于取消了淬火回火 等工序，从而简化了生产工艺流程，提高材料利用率，改善零件质量，降低能耗和制 造成本（25%～38%），减少污染，绿色环保。
（a）
（b）
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←图2.# 非调质钢（a） 与调质钢（b）典型工
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何谓“微合金非调质结构钢” 呢 ？
20世纪70年代初发生的石油能源危机，节能、机械产品和车辆的轻量化、减少CO2 温室气体排放的呼声越来越高，随着人们对能源和环保问题的日益关注，发展节能、 环保、低成本的“绿色钢材”——非调质钢，替代能耗高、周期长、污染严重的调质 钢零件已经成为发展工业用钢的必然趋势。
1998年美国的Wright提出第三代非调质钢概念, 特点是碳含量低, 其组织为回火M, 具有较 高的强度和良好的韧性, 称为低碳M型高强度高韧性非调质钢。
我国自1981年开始研制非调质钢,于1995年完成了9个钢种列标。在B/T15712-1995《非 调质机械结构钢》标准中,按加工方法的不同,将非调质钢分为锻造和切削两类共9个钢号,全部 为中碳V系、Mn-V系F-P型,强度范围在650~800 MPa。除列标钢种之外,近几年还研制了 25MnSiV(Ti)、38MnV(Ti)、35MnVNb、45MnVNb等P-F型非调质钢,但强度级别并没有明 显突破;另外,还开发了一批低碳B、低碳M非调质钢,如12Mn2VB、5Mn2VB、10Mn2CrVB 、18Mn2VTiB等。
在机器制造业中，调质钢常用来制造各种轴类零件、连杆、高强度螺栓等，受力状 况较复杂。例如，轴类零件工作时，既传递转距又承受弯曲作用，承受的力是交变 动负荷；有时还承受一定冲击载荷作用；轴颈部位还作相对运动，产生一定的摩擦 磨损。其力学性能要求：高的屈服点和疲劳强度，良好的冲击韧度和塑性，即具有 良好的综合力学性能。同时，还要考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。一般 调质钢的性能范围大致为：σb800～1200MPa，σS700～1000MPa，δ8～15％， αK60～120J/cm2，TK＜－40℃。