低温形状记忆合金的相变温度变化
形状记忆合金原理
形状记忆合金原理形状记忆合金是一类具有记忆性能的金属材料，其主要原理是基于相变的特性。
相变是指材料在经历温度或应力变化时发生的结构转变。
形状记忆合金通常由几种金属元素组成，例如镍钛合金（NiTi）和铜铝锌合金（CuAlNi）。
形状记忆合金的记忆性能源于其晶格结构的可逆变化。
当形状记忆合金处于高温相态时，晶格结构会发生变化，并具有较高的韧性和可塑性。
当温度降低到临界温度以下，形状记忆合金将会发生一种相变，晶格结构会从高温相态转变为低温相态。
在低温相态下，形状记忆合金呈现出预先确定的形状。
当应力作用于合金时，合金会发生形状改变，但一旦应力消失，形状记忆合金又会恢复到其原始的形状。
这种自身恢复的能力使形状记忆合金具有很多应用潜力。
形状记忆合金的形状记忆效应主要由两个过程共同作用实现：弹性变形和相变。
弹性变形是指在外力作用下形状记忆合金发生可逆的弹性应变。
具体来说，当外力作用后，合金中的晶格结构发生畸变，但并未达到破坏点，而是在去除外力后通过弹性回复恢复到初始形状。
相变是指合金在温度变化下发生的晶体结构相变。
当外力去除后，合金通过温度的改变实现形状的记忆效应。
当温度回升到一定临界温度时，材料会由低温相态变为高温相态，晶格结构发生改变，形状记忆合金将会失去形状记忆效应。
当温度再次降低时，合金将再次回到低温相态，并恢复原始形状。
形状记忆合金由于其独特的记忆性能，在多个领域得到广泛的应用。
例如，医疗领域中的支架器械和牙套、航空航天领域中的航空零部件以及汽车工业中的发动机零部件等。
形状记忆合金的原理使得这些设备能够适应不同的环境和应力变化，增强了其稳定性和可靠性。
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（Shape Memory Alloy，SMA）是指在外力驱动下可以产生形状记忆效应的金属合金，其最重要的特性是在一定范围内可以自恢复原始形状，同时具备优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能及高温稳定性等优点。
SMA最早是在1962年由William Buehler 提出的，自此以后，SMA就被广泛研究并应用于不同领域。
SMA的特性是由其所具备的晶体结构和相变特性所决定的，SMA常见的结构类型有Cu-Zn-Al、Ni-Ti、Cu-Al-Ni、Fe-Mn-Si等。
其中，最为常用的是Ni-Ti SMA，这种合金具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，是目前最为常用的SMA之一。
当SMA处于高温相（austenite相）时，晶体结构稳定，SMA可以被加工成任意形状。
当外界作用力使SMA在相变温度下降到低温相（martensite相），晶体结构失稳，原本具有的形状记忆效应就会被激发出来。
这种相变是可逆的，可以产生与消失形状记忆效应，从而使SMA表现出自修复、自调整和自适应等功能，被广泛应用于机械、微机电、汽车、医疗等领域。
SMA在机械系统中有广泛应用，例如：在阀门、制动系统、传感器和运动控制系统中使用的SMA弹簧、阀杆、马达和块体，以及金属粉末成型制造的SMA零件，可以安装在汽车和航空航天系统上，在温度和振动变化等条件下，能保障系统的性能稳定和安全可靠。
SMA在医疗系统中的应用也非常广泛，例如利用SMA刀具控制机械手的运动，可以在手术中进行精确的切割和缝合。
同时，利用SMA在不同温度下的形状变化，可以制造热敏支架、热敏钩子和热敏衬垫等医疗器械，可以在体内完成自动放置和释放、自由展开和收缩等操作，很好地解决了手术中的一些难题。
SMA还广泛应用于微纳机电系统（MEMS）中，例如利用SMA薄片可控制悬臂梁的挠度和弯曲，从而实现无线通信、火灾预警、生物传感和关节外科等微型器件。
此外，利用SMA 的变形能力和自恢复特性，也可以制造可变形的电缆、活塞和电子插头等调节设备，实现快速、准确、稳定和可靠的微调控制。
固态相变原理的应用实例
固态相变原理的应用实例1. 简介固态相变是指物质在固态下由于温度、压力或组分的改变而引起的晶体结构或性质的变化。
固态相变原理的应用已经广泛涉及到多个领域，例如材料科学、电子器件、能源储存等。
本文将介绍几个固态相变原理的应用实例，以展示其背后的基本原理和实际应用。
2. 智能材料2.1 形状记忆合金形状记忆合金是一种特殊的智能材料，其具有两种不同的晶体结构：一种是高温相，一种是低温相。
当形状记忆合金处于高温相时，其可以被加工成任何形状。
当温度降低到低温相的时候，形状记忆合金会发生固态相变，恢复成其记忆的形状。
应用实例： - 弹性支架：在建筑结构中使用形状记忆合金作为弹性支架，在地震等外力作用下，可以通过相变来吸收和释放能量，从而减小结构的损伤。
- 器械控制：在微型机器人和微电机等器械中使用形状记忆合金控制器件的伸缩和形状改变。
2.2 热敏电阻热敏电阻是一种基于固态相变原理的电子器件，根据材料在温度变化下电阻值的改变而工作。
热敏电阻通常使用金属氧化物材料制成，当温度升高时，材料中的电子活跃度增加，电阻值降低，从而实现电阻与温度之间的关联。
应用实例： - 温度测量：热敏电阻可用于温度传感器和温度控制器的制造。
将热敏电阻与电路连接，根据电阻值的变化来测量温度的变化。
- 温控电路：将热敏电阻与温控电路相结合，实现对温度的精确控制，例如家用电热水器中的温度控制部分。
3. 相变储能3.1 磁相变材料磁相变材料是一种通过改变温度或磁场来引发固态相变的材料。
在相变过程中，磁相变材料的磁性质会发生显著的变化，从而实现能量的储存和释放。
应用实例： - 储能磁体：磁相变材料可以制成磁体，用于储存电能。
当电能输入时，磁相变材料中的磁化程度发生变化，储存了一定量的能量。
当需要释放储存的能量时，可以通过改变温度或磁场，引发相变过程，释放储存的能量。
- 磁性制冷：磁相变材料的相变过程具有吸热和放热的特性，可以用于制冷。
将磁相变材料制成制冷器件，通过改变温度或磁场来实现制冷效果。
温度改变发生形变的材料
温度改变发生形变的材料1. 引言温度是物质性质发生改变的重要因素之一。
许多材料在温度变化时会发生形变，即尺寸、形状或体积的改变。
这种形变可以是可逆的，也可以是不可逆的。
本文将探讨温度改变对材料性质和形变产生影响的原理，并介绍几种常见的温敏材料及其应用。
2. 材料性质与温度关系材料在不同温度下具有不同的性质，这与其分子结构和原子间相互作用有关。
一般来说，随着温度升高，分子或原子活动增加，材料的热膨胀系数增大，导致尺寸或体积增加。
而在低温下，分子或原子活动减弱，材料则会收缩。
此外，温度还会影响材料的机械性能和电学性能等方面。
例如，在高温下，金属强度和硬度通常会降低；某些聚合物在高温下会软化甚至熔化；半导体材料中电阻率随温度变化呈现特定规律等。
3. 温敏材料及其应用3.1 金属材料金属是一类常见的温敏材料。
随着温度的升高，金属会发生热膨胀，导致尺寸增大。
这一性质被广泛应用于各种工程领域，例如：•温度传感器：利用金属材料的热膨胀性质设计制造温度传感器，测量温度变化。
•热力学控制系统：通过利用金属材料的热膨胀特性来实现机械设备的自动调节和控制。
•热电偶：利用两种不同热膨胀系数的金属线制成，测量温度差异。
3.2 聚合物材料聚合物是另一类常见的温敏材料。
根据不同的聚合物结构和组分，其在温度变化下表现出不同的形变特性。
以下是几个典型示例：•形状记忆聚合物：这种聚合物具有记忆形状能力，在特定温度下可以恢复到其预设的形状。
这一特性被广泛应用于医疗器械、纺织品等领域。
•热收缩材料：这种聚合物在加热时会发生收缩，可以用于电线电缆的绝缘和保护。
•热塑性聚合物：这类聚合物在高温下可以软化，便于加工成型。
在冷却后则可以保持其形状。
3.3 智能材料智能材料是一种集传感、响应和控制功能于一体的新型材料。
温度改变发生形变的智能材料有很多种类，如压电材料、形状记忆合金等。
它们可以通过外界温度变化实现自主调节和控制。
以下是几个例子：•压电陶瓷：压电陶瓷在受到外界温度变化刺激时，会产生电荷分离和机械位移，可用于传感器、声音放大器等领域。
铜基形状记忆合金
铜基形状记忆合金
铜基形状记忆合金（Copper-based shape memory alloy）是一种由铜为基础元素的材料，具有形状记忆效应。
形状记忆合金是一类特殊的合金材料，其具有在经历塑性变形后，能够恢复到其原始形状的能力。
铜基形状记忆合金是其中一种常见的形状记忆合金，其特点是具有高密度、高强度、高弹性模量和良好的机械性能。
铜基形状记忆合金的形状记忆效应是通过固溶体相变和马氏体相变来实现的。
在低温下，铜基形状记忆合金处于马氏体相态，具有一定的形状可塑性。
当受到外力或外界温度的作用后，铜基形状记忆合金会经历固溶体相变，转变为奥氏体相态，并产生可逆的弹性形变。
当外力或温度条件恢复到原始状态时，铜基形状记忆合金会再次发生相变，并恢复到原始形状。
铜基形状记忆合金具有广泛的应用领域，包括自动调节器件、医疗器械、火箭发动机、机械阀门等。
其中，其在医疗领域的应用尤为重要，如支架植入术中使用的支架和矫形器等。
总而言之，铜基形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的合金材料，其广泛应用于各个领域，并展示出良好的机械性能和应用潜力。
形状记忆合金的动作(相变)温度测量(DTA法)
〈一〉实验目的 〈二〉实验仪器 〈三〉实验原理 〈四〉操作步骤 〈五〉数据测量 〈六〉思考题
〈一〉实验目的
• （1）掌握差热分析(Differential Thermal Analysis,DTA)
• （2）了解差热分析仪的测量原理； • （3）根据DTA曲线测定形状记忆合金的动作(相变)温
差热分析(DTA)是在程序控温下测量物质和参比物之间的温差与温度的关系的 一种技术。所谓程序控温，是指在温度控制程序下，温度随时间呈线性增加，或 保持恒温；所谓“差”是指在研究过程中引入了参比物，将试样和参比物进行比 较而呈现出来的差异。参比物的引入，仅仅是为了便于揭示试样的特性。因此， 要求参比物在整个加热或冷却过程中不发生任何相态变化，即是“热稳定”的。 DTA仪器的原理如图2所示，其DTA曲线如图3所示。往炉内放样品时，将盛有试 样和参比物的样品池分别放在检测器的两个平台上，参比物在左，试样在右，如 图2所示。当电炉按照设定程序改变温度时，试样的温度Ts将由测温热电偶测得 ，并输入记录仪或计算机，作为时间的一个函数被记录下来。与此同时，试样和 参比物之间的温差由检测器(差值热电偶)检测后输入DTA线路单元，经放大后， 再送到记录仪或计算机，由记录仪或计算机绘出DTA曲线，如图3所示。
轻轻放入炉罩孔内，以免滚落地下摔碎。 • （6）用镊子夹着装有试样的样品池，将其轻轻放入炉内右侧样
品台正中，再将装有参比物的样品池放入炉内左侧的样品台正中。 • （7）将石英玻璃罩和炉罩分别重新罩上，并检查是否复位。 • （8）接通冷却水。
〈四〉操作步骤
（（（312） 4））用用在电记D•子录TA天仪曲平记（ 程线按录上9和一的，）定D可温T比A以接曲例度获线称通取量测取那b量试些程上通样热述和等分道数参析参据比，数。物据数设。。。定加热速率、保持温度、保温时间、放大量 （图（334） ）DT用CA—电曲R•子线6A天数平（ 色据按处1)一；理0定机）比并例接1调称台取；通整试记样记和录录参比仪零物，。点装和上走D纸T速A曲度线。记录笔(绿色)和温度记录笔(红 （（（461） ） 5）CB到P—2温R1•16后DA型，数（ 数电仪据子器处1据天自理1平动机，）停如1止接1台台工；：；通作。样数品据名处称理、机样(处品理质机量与、记实录验仪编可号同和时采记样录时)，间输等入。原始 （ 差5热）分在析实是•验一过种程（简中单1，而2相又）变重温要在度的受D检那T测些-方因4法素0，的主已影广机响泛。上应用按于工下厂“的质S量t管ar理t、”工、程管“理和b材”料验和收“等方E面n。ter ”键，加 热开始。 （14）在DTA曲线上，可以获取那些热分析数据。 （（54） ）在用实SS•验C-过30程封（中口1，机3相，）变将温样将度品受池记那分录些别因封仪素口的。驱影动响。开关打倒驱动位置，记录仪开始记录。 与此同时，•试样（和参1比4物）之间在的数温差据由检处测理器(差机值上热电按偶)下检测“后输O入KD”TA线、路“单元E，n经t放e大r ”后，键再送，到处记录理仪或机计亦算机开，由记录仪或 始记录。 计算机绘出DTA曲线，如图3所示。
TiNiMo形状记忆合金的相变_形状记忆效应与力学性能研究
收稿日期:2003210231;修订日期:2004205218基金项目:总装预研资助项目文章编号:100026893(2004)0620611204Ti NiMo 形状记忆合金的相变、形状记忆效应与力学性能研究丁 振,刘福顺,李 岩,徐惠彬(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100083)Study on Phase T ransformation B ehaviors ,Sha pe Memory E ffects andMechanical Properties of TiNiMo Shape Memory AlloysDIN G Zhen ,L IU Fu 2shun ,L I Yan ,XU Hui 2bin(School of Materials Science and Engineering ,Beijing University of Aeronautics andAstronautics ,Beijing 100083,China )摘 要:研究了TiNiMo 形状记忆合金的相变特性、形状记忆效应和力学性能,结果表明:TiNiMo 合金存在一个R 相变,Mo 的加入降低了TiNi 合金的马氏体相变开始温度(Ms ),Ti 50Ni 48.5Mo 1.5和Ti 50Ni 48Mo 2.0合金的Ms 分别达到了-85℃,-103℃,这两种合金分别在8.51%和8.26%的预应变下获得了8.06%和7.71%的形状记忆效应。
Ti 50Ni 48Mo 2.0合金的屈服强度和抗拉强度分别为589MPa 和799MPa ,比Ti 50Ni 48Fe 2.0的相应强度分别高73%和31%,同时Ti 50Ni 48.5Mo 1.5的力学性能也较为优异,因而TiNiMo 合金是很有发展潜力的新型的记忆合金接头材料。
关键词:TiNiMo 合金;相变特性;形状记忆效应;力学性能;管接头中图分类号:V252;TG 139+16 文献标识码:AAbstract :Phase transformation behaviors ,shape memory effects and mechanical properties of TiNiMo shape memo 2ry alloys are investigated.It is found that a R phase transformation exists in TiNiMo alloy ,and the adition of Mo will lower the martensite start (Ms )temperature of TiNi alloy ,and that the Ms temperatures of Ti 50Ni 48.5,Mo 1.5and Ti 50Ni 48Mo 2.0alloys are -85℃and -103℃,respectively.The two alloys will gain 8106%and 7.71%shape memory effects under 8.51%and 8.26%pre 2strain ,respectively.The yield strength and breaking strength of Ti 50Ni 48Mo 2.0alloy ,measured to be 589MPa and 799MPa ,are 73%higher and 31%higher than the corres ponding strengths of Ti 50Ni 48Fe 2.0,respectively.Furthermore ,Ti 50Ni 48.5Mo 1.5alloy also exhibits excellent mechanical properties.Therefore TiNiMo alloys are very potential when used as new joint materialsK ey w ords :TiNiMo alloy ;phase transformation behavior ;shape memory effect ;mechanical property ;pipe joint TiNi 基形状记忆合金具有优异的记忆特性和超弹性、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性,因而在航空航天、生物医用等领域获得了广泛的应用[1]。
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。
形状记忆合金应力应变曲线
形状记忆合金应力应变曲线
形状记忆合金的应力应变曲线可以根据其相变特性分为两个阶段。
1. 学习阶段（Martensitic phase）
- 应变处于较小范围内时，形状记忆合金处于单相Martensitic
相（低温相）。
- 在该阶段下，应力-应变曲线呈现线性关系，随着应力的增加，应变也随之增加。
2. 回复阶段（Austenitic phase）
- 当形状记忆合金受到一定的应力并超过所谓"回复温度"时，
合金相变为奥氏体相（高温相）。
- 在此阶段下，应力-应变曲线的形状由整个应变区域决定，该区域通常被称为“板au（austenite）相”，应力增加不再引起应
变的线性增加。
- 一旦应变达到一定程度，形状记忆合金将开始恢复其原始形状。
- 在达到应力峰值后，应力-应变曲线会出现一个平台，表示形状记忆合金正处于恢复形状的阶段。
- 一旦超过回复温度，合金将完全回复其原始形状。
总体来说，形状记忆合金的应力-应变曲线在学习阶段呈现线
性关系，在回复阶段呈现一个平台，表示合金正在恢复其原始形状。
形状记忆合金本构模型
形状记忆合金本构模型形状记忆合金是一种特殊的材料，其可以在受到外界温度或应力刺激时，发生可逆的形状变化。
这种材料广泛应用于许多领域，如机械工程、医学、航空航天等。
本文将介绍形状记忆合金的本构模型及其应用。
我们来了解一下形状记忆合金的基本原理。
形状记忆合金由一种或多种金属元素组成，其中最常见的是镍钛合金。
在室温下，形状记忆合金处于高温相，其晶胞结构呈现为立方晶系。
当形状记忆合金被加热至特定温度时，会发生相变，晶胞结构从高温相转变为低温相，这种相变伴随着形状记忆效应的产生。
形状记忆效应可以分为两种类型：单向记忆效应和双向记忆效应。
单向记忆效应是指形状记忆合金在经历相变后，只能恢复一种形状。
而双向记忆效应则可以使形状记忆合金在经历相变后，能够在不同的温度下恢复不同的形状。
对于形状记忆合金的本构模型，最常用的是热力学模型和力学模型。
热力学模型基于能量的最小化原理，通过定义自由能函数来描述形状记忆合金的力学行为。
力学模型则基于应变和应力之间的关系，通过弹性力学理论来描述形状记忆合金的应力响应。
热力学模型中最常用的是Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD)模型，该模型基于自由能函数的展开，将自由能函数表示为温度、应力和应变的幂级数。
通过对自由能函数的优化，可以得到形状记忆合金的相变温度、相变压力以及相变应变等参数。
力学模型中最常用的是线性弹性模型和非线性弹性模型。
线性弹性模型假设形状记忆合金在相变过程中的应变与应力之间存在线性关系，通常使用Hooke定律描述。
非线性弹性模型则考虑了相变过程中的应力-应变非线性效应，常用的模型有Kachanov-Rabotnov模型和Smith-Lemaitre模型等。
形状记忆合金的应用十分广泛。
在机械工程领域，形状记忆合金可以用于制造具有自修复功能的材料，如自修复机械零件和自修复管道。
在医学领域，形状记忆合金可以用于制造可植入人体的支架、导丝和血管等医疗器械。
形状记忆合金(修改)
[100]
马氏体相变的自适应现象。
马氏体的自适应形成
由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显 然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的 方向是不同的。当某一变体在母相中形成时， 产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变 能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低 应变能，在已形成的变体周围会形成新的变体， 新变体的应变方向与已形成的变体的应变场互 相抵消或部分抵消。有均匀体积变化，无明显 形状改变。
2、马氏体相变机制 马氏体相变是通过切变完成的， 其亚结构为孪晶。形状记忆效应 要求相变时体积变化小，这样才 能降低应变能。形状记忆合金相
(011)
变时围绕母相的一个特定位向常
常形成四种自适应的马氏体变体
[100]
(Variant ），并以母相的惯习面
呈对称排列，这四种变体合称为
马氏体片群
一个马氏体群，如右图所示。
SMA中的孪晶马氏体
Twinned Microstructure
TaRu 孪生组 织内的 透镜状 孪晶
TaRu 孪生组 织内的 反向畴 界 具有粗细孪晶 NbRu的典型组织
自适应马氏体
Self-Accommodating Martensite
Cu-Zn形状记忆合金 中的自适应马氏体
Ti-48.2Ni1.5Fe合金 中R相自适 应现象的光 镜组织
马氏体相变分为非热弹性马氏体相变（A类）和热弹
性马氏体相变（B类）两类。
非热弹性马氏体
NON-THERMOELASTIC MARTENSITE
热弹性马氏体
THERMOELASTIC MARTENSITE
冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度 Ms 与加热
NiTi形状记忆合金的性能及应用
NiTi形状记忆合金的性能及应用(**************************************)摘要：本文主要介绍了NiTi形状记忆合金的性能，如形状记忆效应、超弹性效应、生物相容性、耐磨性、阻尼性等。
再举例简要介绍它在工程领域、医学领域方面的应用，并对以后的发展方向做了展望。
关键字：形状记忆性能；应用Properties and Application of NiTiShape Memory AlloysAbstract：The essay is mainly introduce the shape memory effects，such as super-elasticity effect，temperature memory effect，biological compatibility , resistance to wear and damping of NiTi shape memory alloys (SMA)，et al . And then talk about the applications of NiTi shape memory alloy in engineering field ，medical field . The development direction of the study field was forecasted．Key words : shape memory effect ; application引言形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA) 是一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种能力被称为形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME) 。
实际上，很多材料都具有SME，但能够产生较大回复应变和形状回复力的，只有少数的几种材料，如：Ni-Ti合金和铜基合金(CuZnAl和CuAlNi)，铁基合金应用最广泛。
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，又称记忆合金，是一种具有记忆性能的特殊金属合金材料。
它能够在一定温度范围内实现弹性形变，并且在去除外力的情况下能够恢复原来的形状。
这种神奇的材料被广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车制造等领域，具有非常重要的意义。
形状记忆合金的机理形状记忆合金是由金属元素和非金属元素的合金组成，其最著名的代表是镍钛合金（NiTi）。
这种合金具有独特的内部晶体结构，在一定温度范围内具有“记忆效应”。
形状记忆合金的记忆效应是由于其内部晶体结构的变化而产生的。
在形状记忆合金的相变温度范围内，晶体结构由低温相变为高温相，这种相变过程伴随着晶格的变化。
当形状记忆合金在高温相状态下被弯曲或拉伸，然后在低温相状态下重新加热时，晶体结构发生改变，原本被弯曲或拉伸的部分会恢复到原来的状态，这就是形状记忆合金的记忆效应。
1. 医疗器械领域形状记忆合金在医疗器械领域有着广泛的应用。
比如在心脏支架的制造中，形状记忆合金能够在体内被压缩成小体积，通过血管输送到需要的位置后再恢复成原来的形状，起到支撑作用。
在牙齿正畸治疗中，也可以使用形状记忆合金制成的矫正器，通过温度变化来调整器件的形状，从而达到矫正牙齿的目的。
2. 航空航天领域在航空航天领域，形状记忆合金也有着重要的应用。
比如在航空发动机的控制系统中，可以使用形状记忆合金制成的零件来实现精确的控制和调节。
还可以利用形状记忆合金制成的材料来制造航天器的折叠结构，以减小发射时的体积，节约空间和成本。
3. 汽车制造领域在汽车制造领域，形状记忆合金被广泛用于汽车零部件的制造。
比如在汽车发动机的喷油系统中，可以使用形状记忆合金制成的喷嘴，通过温度变化来控制油水的喷射角度和强度，从而提高发动机的燃烧效率。
在汽车碰撞安全系统中，形状记忆合金也可以用来制造碰撞缓冲材料，以提高汽车的碰撞安全性能。
形状记忆合金的原理及应用
形状记忆合金的原理及应用1. 介绍形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属合金材料，它可以在特定温度下产生可逆形状变化。
形状记忆合金的独特性能使其得到了广泛的应用，包括医疗、航空航天、汽车等领域。
本文将介绍形状记忆合金的原理及其常见的应用。
2. 原理形状记忆合金的主要原理是材料中的固态相变。
当形状记忆合金处于高温状态时，分子结构会发生改变，形成一种称为奥氏体的相。
当材料被快速冷却到低温状态时，奥氏体相会转变成一种称为马氏体的相。
马氏体相具有特殊的形状记忆性能，可以在受到外界刺激时恢复到其初始的形状。
3. 形状记忆合金的应用3.1 医疗领域形状记忆合金在医疗领域有着广泛的应用。
其中，最典型的应用之一是支架植入术中的应用。
形状记忆合金支架可以在导入体内后自动展开到预定位置，从而保持动脉通畅，治疗狭窄或闭塞的血管。
此外，形状记忆合金还可以制作成人工关节、矫正器等医疗器械。
3.2 航空航天领域形状记忆合金在航空航天领域也得到了广泛的应用。
其中一项重要的应用是利用形状记忆合金制作飞机机翼的自适应变形结构。
通过调节形状记忆合金材料的温度，可以实现飞机机翼的形状变化，从而改变飞行性能。
这种自适应变形结构可以提高飞机的机动性和控制性能。
3.3 汽车领域在汽车领域，形状记忆合金主要应用于发动机和刹车系统。
形状记忆合金可以制作成具有恢复性能的活塞环、发电机线圈和刹车片等部件。
这些部件可以在高温和高压环境下正常工作，并具有较长的使用寿命。
形状记忆合金的应用可以提高汽车发动机和刹车系统的性能和可靠性。
3.4 其他领域除了上述应用外，形状记忆合金还在其他领域展示了广泛的应用前景。
例如，形状记忆合金可以应用于智能墙壁和智能窗户等智能建筑材料中，实现自动调节温度和光照。
此外，形状记忆合金还可以用于制作柔性显示屏、智能传感器等电子器件。
4. 结论形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属合金材料，其原理是基于固态相变。
形状记忆合金在医疗、航空航天、汽车等领域都有广泛的应用。
记忆合金
记忆合金记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。
这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。
由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做"记忆合金"。
当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准确地说应该称之为"记忆形状的合金"。
此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。
科学家们现在已经发现了几十种不同记忆功能的合金，比如钛－镍合金，金－镉合金，铜－锌合金等。
19世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。
记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条向前冲去；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。
在盛着凉水的玻璃缸里，拉长一个弹簧，把弹簧放入热水中时，弹簧又自动的收拢了。
凉水中弹簧恢复了它的原状，而在热水中，则会收缩，弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩，收缩再拉开。
这些都由一种有记忆力的智能金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。
这种材料就叫做记忆金属（memory metal）。
它主要是镍钛合金材料。
例如，一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处于螺旋状态。
在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但只要镍钛记忆合金丝把它加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺旋形态。
例如，镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的，但温度在40℃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，40℃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。
功能材料(形状记忆合金)
3.2 形状记忆合金 已发现的形状记忆合金种类很多，可以 分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。另 外，近年发现一些聚合物和陶瓷材料也具有 形状记忆功能，其形状记忆原理与合金不同， 还有待于进一步研究。
目前已实用化的形状记忆材料只有Ti-Ni合金 和铜系形状记忆合金。表3-3为Ti-Ni、铜系， Fe-Mn-Si合金有关性能参数。
不仅对母相施加应力诱发马氏体相变会 产生伪弹性，而且在Mf温度下，应力能诱发 具有其它结构的马氏体。这种应力诱发马氏 体在热力学上是不稳定的，仅能在应力下存 在，应力除去后，逆转变为原始结构马氏体 而出现伪弹性。
如图3-5，给出了Cu-Al-Ni合金单晶体的内部 组织变化及相变点温度、应力的关系。
图3-5 (Cu，Ni)3Al合金单晶的温度-应力状态图
由图可见，随着应力的增加，合金的 Ms点向高温移动。 当 合 金 急 冷 至 Ms 点 以 下 时 ， 首 先 生 成 γ’1(2H) 马 氏 体 ， β’’1(18R2)是由γ’l应力诱发产生的，β’1是由 β1应力诱发产生 的，进一步加载， β’’1 和 β’1 均转变为 α’1 。即应力改变了热 力学条件，诱发一种结构的马氏体向另一种结构的马氏体 转变，从而使合金呈现伪弹性。
母相受力生成马氏体并发生形变，或 先淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑 性变形，变形后的合金受热(温度高于As)时， 马氏体发生逆转变，回复母相原始状态； 温度升高至Af时，马氏体消失，合金完全回 复到原来的形状。但是具有热弹性马氏体 相变的材料并不都具有形状记忆效应，这 一点可以从热力学上给予证明，在此不详 细讨论。
表3-1 形状记忆合金的母相与马氏体结构
注：符号所代表的相结构 B2—CsCl或 β’Cu—Zn型立方有序结构； DO3— BiF3或BiLi3型面心立方有序结构；B19—β’AuCd型正交晶格；FCT—面心正交 晶格； Ll2—AuCu3 I型立方有序结构；BCT体心四方晶体。
形状记忆合金驱动工作原理
形状记忆合金驱动工作原理
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一种特殊的金
属合金，具有记忆形状的特性。
其工作原理基于材料的相变行为和微观结构变化。
形状记忆合金通常包含一种称为马氏体的相和一种称为奥氏体的相。
在低温下，形状记忆合金处于马氏体相，具有较低的弹性模量，使其能够被塑性变形。
当温度升高到一个临界温度（称为相变温度）以上时，形状记忆合金会发生相变，转变为奥氏体相，并且恢复其原始的形状。
这种相变过程是通过热激活来实现的，通常使用电阻加热或通过外部温度变化来触发。
当形状记忆合金被加热到相变温度时，其内部的晶体结构会发生重排，从而改变材料的形状。
在冷却时，形状记忆合金会保持其变形状态，直到再次被加热到相变温度，才能恢复原始的形状。
形状记忆合金常用于各种应用中，例如医疗器械、航空航天、汽车等领域。
它的工作原理简单而有效，使其成为一种具有广泛应用前景的材料。
镍钛合金的af温度
镍钛合金的af温度镍钛合金是一种具有形状记忆特性的合金材料，在过去的几十年中得到了广泛的研究和应用。
其中一个关键的特性就是它的转变温度，也被称为“af温度”。
af温度是指镍钛合金的相变温度，这是指合金从高温相（a相）转变为低温相（f相）的温度。
在高温相中，镍钛合金的晶体结构呈现出立方晶系，而在低温相中，晶体结构则转变为单斜晶系。
这种相变温度的变化使得镍钛合金具有了形状记忆特性。
具体来说，当镍钛合金被加热到af温度以上时，它会从低温相转变为高温相，并且在这个过程中会发生弹性变形。
一旦温度降低到af 温度以下，合金会再次转变为低温相，并且恢复到原来的形状。
这种形状记忆特性使得镍钛合金在许多领域都有重要的应用，例如医学器械、航空航天和机械工程等。
在医学领域，镍钛合金被广泛应用于牙科矫正器、心脏支架和血管导管等医疗器械中。
由于镍钛合金具有良好的形状记忆特性和生物相容性，它可以根据人体的温度变化来调整自己的形状，从而更好地适应患者的需求。
在航空航天领域，镍钛合金被用作航空发动机中的阀门和传感器等关键部件。
由于发动机工作时温度非常高，因此需要材料具有良好的耐高温性能。
镍钛合金的af温度可以根据具体的应用需求进行调整，以适应不同温度下的工作环境。
在机械工程领域，镍钛合金被广泛应用于形状记忆合金弹簧和阀门等机械元件中。
这些元件可以根据环境温度的变化来调整自身的形状，从而实现自动控制和调节。
例如，在汽车发动机中使用镍钛合金弹簧可以根据发动机温度的变化来调整气门的开闭时间，从而提高发动机的燃烧效率和性能。
镍钛合金的af温度是决定其形状记忆特性的关键因素。
通过调整合金的成分和热处理工艺，可以实现不同范围内的af温度，以适应不同领域的应用需求。
随着对镍钛合金的研究不断深入，相信它在未来会有更广泛的应用。
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１ 实验 方 法
装 置为实验 室 自制低温 电阻测量装置 ，其 原理 图如
图 １ 示。 所
领域得 到了广泛应用 ［ ］ 其 中 Ｃ — 一 １ － ３ ｕＡ１ Ｍｎ形状记忆合金 因其成本低 、工艺简单且具有优 良的形状记忆性 能更是 得 到广 泛关注 ，具 有潜 在 的商业 价值 ［ ］ ｕＡ ． ４ 。Ｃ ． １ － ６ Ｍｎ形 状 记忆 合金的相变点是其重要性 能指标之 一，它决定了 形状记忆 合金器件的工作环境 ，因而低温形状记忆 合金 相变 点的精确测量 ，对其实际应用具有重要意义。
ｄ ｉ Ｏ３ ６８ｉ ｎ２ ９ —７ ４２ １．１ ０ ｏ： ．９ ９ ．ｓ ． ５１４ ．０ ２０ ． ９ ｌ ｓ ０ ０
低温形状记忆合金 的相变温度变化
圜 莫 露，万发荣，龙 毅 ， 黄绍松，高 进，陈东升 北京科技 大 学 材料科 学与工程 学院，北京 １０８ ００３
摘 要：利用低 温 电阻法 、差 示扫描量 热法 （ Ｃ）、物性 测量系 统 （ Ｐ ＤＳ Ｐ ＭＳ）等 手段对马 氏体 相
变温度 为 １０ ０ Ｋ左右 的低 温 Ｃ — 卜 形状 记忆合金 的相 变温度进行 了测量，研 究 了不 同热处理 ｕＡ Ｍｎ 工艺下的相变点变化 。结果表 明，淬火后 的记忆合金相 变温度相 比退火 后明显降低 ，而不同的淬 火速率也使 Ｃ — 卜 形 状记忆合金相 变温度 有所 变化。 ｕＡ Ｍｎ
忆合金 的相变温度 以及 确定影响其相变温度 的因素 非常
重要 。
图 １自制低温 电阻测量装置原理图
利用低温 测 电阻装 置、差示扫描量热 法 （ Ｃ ＤＳ ）对 低温 Ｃ ． １ ｕＡ ． Ｍｎ形状 记忆 合金升温 及降温过 程 中的相变 该实验装置采用 四线法 直流 电阻测试。待测样 品的 外端为 电流输入端，通过恒流源输入一个不随负载 电阻变 化的稳定电流 ；内端为电压端，通过数字微伏 电位差计来
作者简介 ：莫露 （９ ７ ）男，江西吉安人 ，硕士研 究生。 １８ －
点进行测 量。本实验分别采用实验室 自制 的低 温测 电阻
装置 、 差示扫描量热法 （ Ｃ） ＤＳ 以及综合物性系统 （Ｐ ） Ｐ ＭＳ 测定 了所 制的低温形状记忆 合金的相变点 ，并对测定结
果进 行 分 析 。
图３ １ 撑样 品 升 温 过 程 电 阻 曲 线
马 氏 体 相 变 温 度 Ｍｓ １０Ｋ 附近 的 低 温 形 状 记 忆 在 ０
合 金 可 以应用 于节流 制冷 器 ，通 过其 随温 度变 化而 表 现出来的形状记忆特性来对制冷器针 阀机 构进行开度控 制，进 而 实现制 冷流 量参 数 自调 的 目的。这 样 的节流 制冷器具有 结构简单、装调方便及寿命 长等特点 ［。但 是 ，制冷器 中使用 的形状 记忆合金对相变温度 的要求很 高 ，一般为 １０Ｋ±５Ｋ。因此 ，准确地测定低温 形状记 ０
置 可 以认 为 是 Ｍ 。 Ａ。 点 。 （ ）
器 ，通 过用数字万用表测 量铂 电阻 阻值 的变 化来测量温 度 。铂电阻和待测样品装在一个紫铜样 品架上 ，利用紫铜 的高导热性，以保证实验过程 中铂 电阻和样品温度的一致 性。样品架外有双层套管，以保证降温过程 中温度变化平 稳 。在测 试过程 中，万用表采 集的温度信 息和 电位差计 采集的 电阻变化信息通过 Ｒ ２ ２ Ｏ 端 口同步输入计算 Ｓ３ Ｃ Ｍ 机，由计算机程序记录数据并画出电阻温度 曲线 【 ８ 】 品 。样
图２ ｌ ＃样品降温过程 电阻曲线
物性测量系统 （ｈ ｓ ｓ ｒｐｒ ａｕｅ ｎ ｙｔ Ｐ ｙｉ ｏ ｅ ｙ ｃＰ ｔ Ｍｅｓｒｍｅｔ ｓ ｍ） Ｓ ｅ 是在低温和强磁场 的背景下测量材料 的直流磁化强度 和 交流磁化率、 直流 电阻、 交流输运性质 、 比热和热传 导、 扭 矩磁 化率等综合测量系统 ［１ １ｏ本实验所使用 的设备型 号 ０
关键词：形 状记忆合 金；Ｃ — 一 ；相 变温测量 ｕ Ａ１ Ｍｎ
中图分类号：Ｔ ３ ＋ Ｇ １９． ６ 文献标识码：Ａ 文章编号：２ ９—７ ４２ １） １ ０ ８０来 ，形 状 记 忆 合 金 在 空 间 技 术 、医 疗 器 械 、机 械 器 具 、 电 子 设 备 、 能源 开 发 、 汽 车 工 业 及 日常 生 活等
为 Ｐ Ｍ Ｓ９ Ｐ ．。
ａ
墨 脚
实 验 用 低 温 形 状 记 忆 合 金 采 用 成 分 Ｃ ９３ ｕ７ ． ％一
Ａ１ １ ％一 ． ． Ｍｎ９４ １３ ％，用纯铜和 电解铝 以及 电解锰在真 空
熔 炼 炉 中炼 成 锭 子 ， 纯铜 为 洗 炉 料 。炼 好 的 锭 子 先 经 过 ９０℃均 匀 化 退 火 ，再 线 切 割 出 若 干 ２ｍ × １ Ｘ１ ０ ｍ ． ｍｍ ５ ５
架放入液氮瓶 ，通过调节样 品架在液氮瓶中离开液氮面 的
距离 ，使试样温度在 ７ 至室温之问变化 。 ７ Ｋ 差示扫描量热法 （ Ｃ）是在 程序温度控制 下测量 ＤＳ 物 质与参 比物之 间单位 时间的功率差 随温 度变化 的一种
技 术 】 差 示 扫 描 量 热 法 在 测 量 相 变 点 的 同 时 还 能 得 到 。 形 状 记 忆 合 金 相 变 过 程 中 的相 变 焓 。本 实 验 采 用 日本 精 工 Ｅ Ｔ ６２ ＸＳ ＡＲ ２ ０型 Ｄ Ｃ装 置 。 Ｓ
５ ８
工程进展
Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔ ｎ ｉ ｒ ｇ Ｉ ｏ ｅ ｎ ｅ ｎ ｍｐ
测量 由于电阻变化引起 的微小电压变化 。因为样品的电阻 值很小，所 以采用 四端接 线 以避免 导线 电阻及接触 电阻
对 实验 造 成 的 误差 。装 置采 用 Ｐｌ０ 电 阻作 为温 度传 感 ｔ０ 铂