形状记忆合金(SMA)教材
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• 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)
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,大多情况 下为无理数指数面
来自百度文库
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
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。
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
• •
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
– – – – 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)
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,大多情况 下为无理数指数面
来自百度文库
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
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。
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
• •
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