形状记忆合金(SMA)教材
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。
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
精品课程《功能材料》ppt课件第三讲 形状记忆合金与非晶态合金
➢ 4、软磁性： 非晶态合金磁性材料具有高导磁率，高磁感, 低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。
➢ 5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸 氢能力，超导电性，低居里温度等特性，
3.2.2 非晶态合金的制备
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成 非晶体。也就是说，只要冷却速度足够 快．使熔体中原子来不及作规则排列就完成 凝固过程，即可形成非晶态金属。
通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过45个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。
短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。
(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周 围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短 程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元， 除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程 迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在 非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有 序的影响通常只局限于最近邻原子 。
但这类应用记忆衰减快、可靠性 差，不常用。
超弹性的应用。如弹簧、接线柱、 眼镜架等。
2） 医学应用
形状记忆合金在医学上也有应用。以Ni—Ti记忆 合金应用最有成效，由于Ni—Ti记忆合金具有良好 的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中有良 好的抗腐蚀性，我国已将其用于牙齿整畸、脊椎侧 弯哈氏棒、断骨愈合和妇女避孕环等，居世界先进 水平。有关用形状记亿合金制作人工心脏瓣膜、血 管过滤网、防止血栓的静脉过滤器等的研究，美国、 日本等国正在进行。
2）形状记忆效应(Shape Memory Effect)
具有形状记忆效应的材料，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）。
形状记忆合金可以分为三种：
(1) 单程记忆效应
➢ 5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸 氢能力，超导电性，低居里温度等特性，
3.2.2 非晶态合金的制备
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成 非晶体。也就是说，只要冷却速度足够 快．使熔体中原子来不及作规则排列就完成 凝固过程，即可形成非晶态金属。
通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过45个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。
短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。
(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周 围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短 程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元， 除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程 迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在 非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有 序的影响通常只局限于最近邻原子 。
但这类应用记忆衰减快、可靠性 差，不常用。
超弹性的应用。如弹簧、接线柱、 眼镜架等。
2） 医学应用
形状记忆合金在医学上也有应用。以Ni—Ti记忆 合金应用最有成效，由于Ni—Ti记忆合金具有良好 的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中有良 好的抗腐蚀性，我国已将其用于牙齿整畸、脊椎侧 弯哈氏棒、断骨愈合和妇女避孕环等，居世界先进 水平。有关用形状记亿合金制作人工心脏瓣膜、血 管过滤网、防止血栓的静脉过滤器等的研究，美国、 日本等国正在进行。
2）形状记忆效应(Shape Memory Effect)
具有形状记忆效应的材料，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）。
形状记忆合金可以分为三种：
(1) 单程记忆效应
形状记忆原理及应用PPT课件(2024版)
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。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度Ms时开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（Stress-Induced Martensite，简称SIM）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。
形状记忆合金记忆效应机理
大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。
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。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度Ms时开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（Stress-Induced Martensite，简称SIM）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。
形状记忆合金记忆效应机理
大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。
形状记忆合金(SMA)讲解
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
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。
功能材料学教案-第05章 形状记忆合金
第05章 形状记忆合金人们在研究近等原子比的Ti.Ni 合金时发现，原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高 到一特定值时它又恢复到原来的形状。
人们把这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect, SME ）,把具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA ）0形状记忆现象的发现最早可追溯到1932年，人们在研究Au-Cd （镉，音格）合金时， 第一次观察到马氏体能够随着温度的变化而连续地缩小和长大；到了 20世纪50年代初，美 国人分别在Au.Cd 和In.Tl （铭，音它）合金中观察到了形状记忆效应，但形状记忆效应一 直没有获得实际应用。
直到1963年，布赫列（WJ.Buehev ）等人发现近等原子比的Ti-Ni 合金具有良好的形状记忆效应以后，TiNi 合金才作为实用的形状记忆合金进入了市场。
5.1形状记忆效应及其原理5.1.1两个术语——热弹性马氏体和应力弹性马氏体1. 热弹性马氏体（M —Ms ——A.——A f ）热弹性马氏体是一种能够进行可逆转变的马氏体。
也就是说，冷却时，高温相（母相） 发生马氏体转变，形成马氏体；加热时，马氏体不会像钢铁中的马氏体那样发生分解，而是 直接转变为高温相（母相）。
它的另一个特点是，在冷却或加热过程中，马氏体会随着温度 的变化而连续地长大或收缩，母相与马氏体的相界而可进行弹性式的推移。
也就是说，马氏 体片能随温度下降逐渐长大；温度回升时，马氏体片又能随温度上升而逐渐缩小，通常把这 种马氏体就叫做热弹性马氏体。
大部分形状记忆合金的形状记忆机理与愁理性旦氐遂的可逆相变密切相关。
通常把高温 相向马氏体转变的开始和终了温度分别称为Ms 和M f ；把马氏体向高温相逆转变的开始和终 了温度分别称为A 和A”（As 一般总是高于A.通常才巴ArMs 称为相变温度滞后,热弹性 马氏体一般是相变温度滞后较小的马氏体，一般仅十几摄氏度至几十摄氏度。
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〕
形状记忆合金英文ppt课件
2024/3/10
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
随温度变化而变化的汤匙
The metal spoon is straight at room temperature , only in the hot drink or heating by other methods，it can be bending, and straightened after cooling.
2
3
Application in different fields
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
What is the shape-memory alloy？
Shape-memory alloy is a regular arrangement of atoms, the volume becomes less than 0.5% of the martensitic phase change alloy. This alloy may be deformed under the external force, when the external force is removed, at a certain temperature conditions, can restore the original shape. Because it has more than a million times to restore function, so called "shape-memory alloys”. Of course, it is impossible to think like a human brain memory.
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
随温度变化而变化的汤匙
The metal spoon is straight at room temperature , only in the hot drink or heating by other methods，it can be bending, and straightened after cooling.
2
3
Application in different fields
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
What is the shape-memory alloy？
Shape-memory alloy is a regular arrangement of atoms, the volume becomes less than 0.5% of the martensitic phase change alloy. This alloy may be deformed under the external force, when the external force is removed, at a certain temperature conditions, can restore the original shape. Because it has more than a million times to restore function, so called "shape-memory alloys”. Of course, it is impossible to think like a human brain memory.
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。
《神奇的记忆合金》PPT课件-12页PPT资料
ory 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(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） [1] ，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[1] 。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到 了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等[2] 。用形状记忆合 金制造的眼镜架，可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏（并不是应用形状记忆效应， 发生变形后再加热而恢复）[2] 。
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） [1] ，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[1] 。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到 了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等[2] 。用形状记忆合 金制造的眼镜架，可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏（并不是应用形状记忆效应， 发生变形后再加热而恢复）[2] 。
- 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)。
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)
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
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
• 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
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
马氏体相变中的浮凸和折线
马氏体相变的切变变形模式
马氏体相变是共格性相变
• 共格性相变：相界面上的原子既属于母相， 也属于马氏体相
马氏体相变的惯习面(Habit Plane)
• 在马氏体相变中，马氏体总是沿着母相的某 一晶面开始产生，这个晶面在马氏体相变的 全过程中，既不发生畸变，也不发生转动。 这样的晶面就称为惯习面，惯习面也是两相 的交界面 • 一般来说，每一种金属或合金在形成马氏体 时都有自己确定的惯习面 • 惯习面以母相的晶面指数来表示，大Βιβλιοθήκη 情况 下为无理数指数面• •
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
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 Buehler 博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol（NiTi-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