第三章 形状记忆合金PPT课件
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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。
-ppt-形状记忆合金

1、Ni-Ti形状记忆合金
基本特点:具有良好的力学性能,抗疲劳, 耐磨损,抗腐蚀。记忆效应优良、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。
用极薄的记忆合金材料
先在正常情况下按预定要求 做好,然后降低温度把它压 成一团,装进登月舱带上天 去。放到舱面上以后,在阳 光照射下温度升高,当达到 转变温度时,天线又“记” 起了自己的本来面貌,变成 一个巨大的半球形。
利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安
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。
SMA火灾报警器
在航天上,可用形状记忆合金制作航天 用天线,将合金在母相状态下焊成抛物面 形,在马氏体状态下压成团,送上太空后, 在阳光加热下又恢复抛物面形。此外,超 弹性合金作为机械储能材料也很有前景。
(2) 影响相变温度的因素
1)成分:是最敏感因素之一:Ni含量每增加0.1%,相变温度降低10℃。
2)第三元素: Fe、Co可降低Ms;Cu置换Ni可减少相变滞后,节约合金成 本;Nb使相变滞后明显增加;开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。 4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。
二、形状记忆效应的性质
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c.
b.c.c
马氏体相变晶体学模型
马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
临界转变温度
☞马氏体相变与其他相变一样,具有可逆性。当冷却时,由高温母相变
②马氏体相变通过孪生(切变)完成,而不是通过滑移产生; ③母相和马氏体相均属有序结构
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。
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》课件

2
存在的问题
如材料成本、可靠性和循环寿命等方面的挑战来自需要不断研究和改进。3
发展前景
形状记忆合金将在未来的科技进步中发挥重要作用,为我们的生活带来更多便利 和创新。
结语
形状记忆合金的重要性
它不仅是一种材料,更是未来科 技发展的重要组成部分,将引领 我们走向更智能、高效的未来。
发挥形状记忆合金的作用
《形状记忆合金》PPT课 件
欢迎参加本次《形状记忆合金》PPT课件!在这里,我们将探索这项未来科技 的定义、原理、特点,以及其在医疗器械、航天航空、汽车工业等领域中的 应用。
什么是形状记忆合金
形状记忆合金是一种具有记忆效应的材料,可以在受力变形后回复到其原始 形状。它的原理是基于相变的晶体结构变化,拥有独特的特点。
包括熔融法、固相法和合金化 方法等,每种方法都有其适用 场景和优缺点。
制备工艺流程
从原料的选择和预处理到形状 记忆合金的合成和后处理,需 要严谨的工艺流程和控制。
实验室制备实例
展示了形状记忆合金在实验室 中的成功制备实例,为进一步 研究和应用提供了基础。
形状记忆合金的未来发展
1
发展趋势
形状记忆合金将更加智能化和多功能化,结合其他材料和技术创新,应用领域将 不断扩大。
我们需要不断挖掘和应用形状记 忆合金的潜力,创造更多创新性 和实用性的产品和解决方案。
致谢
感谢您参与本次《形状记忆合金》 PPT课件,希望展示的内容能够 给您带来启发和收获。
形状记忆合金的应用
医疗器械
应用于支架、植入物等医疗设备,可提高患者的 治疗效果和舒适度。
汽车工业
在车身和发动机中应用,具有降噪、减振和节能 的优势。
航天航空
形状记忆合金教学课件

轧制法
总结词
高效、可大规模生产、易于控制尺寸和形状
详细描述
轧制法是一种高效的形状记忆合金加工方法,通过将记忆合金原料进行高温轧制,获得具有特定形状 的记忆合金。该方法可以大规模生产,并且易于控制记忆合金的尺寸和形状。通过调整轧制工艺参数 ,可以获得不同形状记忆性能的合金。
激光熔覆法
总结词
高精度、可原位修复、适用于复杂形状
针对复杂环境下的性能稳定性问题, 开展系统性的研究,提升形状记忆合 金的适应性和可靠性。
探索形状记忆合金在其他新兴领域的 应用,如智能机器人、物联网等。
THANK YOU
感谢观看
恢复其原始形状。
形状记忆合金主要由两种或两种 以上的金属元素组成,其中至少 有一种金属元素可以在特定条件
下发生相变。
形状记忆合金在制造、电子、医 学、航空等领域具有广泛的应用
前景。
形状记忆合金的特性
01
02
03
04
形状记忆效应
形状记忆合金在低温下被变形 ,然后在高温下恢复其原始形
状的现象。
马氏体相变
3
良好的塑性和韧性
铜基形状记忆合金具有良好的塑性和韧性,可以 进行加工和变形。
铁Hale Waihona Puke 形状记忆合金铁基形状记忆合金的种类
01
铁基形状记忆合金包括铁铂系、铁镍系和铁钛系等。
高强度和硬度
02
铁基形状记忆合金具有高强度和硬度,可以用于制造耐磨和抗
冲击的零件。
相变温度可调
03
通过添加不同的元素,可以调节铁基形状记忆合金的相变温度
总结词
医疗领域是形状记忆合金得到广泛应用的一个领域,它们被用于制造医疗器械 、生物材料和药物载体等。
形状记忆合金PPT课件

在TiNi合金中掺杂Au或Pt可以显著提高合金的相变温度,使之 成为高温形状记忆合金,加入Nb可以使相变热滞增大到140℃ ,而加入Cu后相变热滞则锐减至4 ℃。
另一方面,随着材料先进制备技术的飞速发展,纳米化处理也 越来越多地应用于形状记忆合金中。
形状记忆合金使用中的问题
形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只 要受热就能恢复原状,有时可残留永久变形。
图2 钢的马氏体转变
图3 马氏体相和母相化学自由能差随 温度变化与马氏体相变的关系
热驱动力与弹性能平衡,称之为热弹性平衡,此时 马氏体将停止生长。热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体 不一样,通常它比母相还软。
形热 貌弹 的性 明马 场氏 像体
箭 状
图4 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大) 图5 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)
形状记忆合金
Shape Memory Alloy
主要内容
形状记忆合金的发展 形状记忆合金的原理 形状记忆合金的分类 形状记忆合金的制备 形状记忆合金的应用
形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。
德国金属学家Martens发现:钢在奥氏体高温区淬 火时,原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散 形式转变为体心立方结构,得到的组织以他的名字 被命名为马氏体。
形状记忆效应原理
形状记忆合金在一定范 围内发生塑性变形后, 经加热到某一温度后能 够恢复变形,实质是热 弹性马氏体相变。
马氏体在外力下变形成 某一特定形状,加热时 已发生形变的马氏体会 回到原来奥氏体状态, 这就是宏观形状记忆现 象,如右图所示。
图6 形状记忆效应 过程的示意图
形状恢复完全可逆需具备以下条件:
另一方面,随着材料先进制备技术的飞速发展,纳米化处理也 越来越多地应用于形状记忆合金中。
形状记忆合金使用中的问题
形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只 要受热就能恢复原状,有时可残留永久变形。
图2 钢的马氏体转变
图3 马氏体相和母相化学自由能差随 温度变化与马氏体相变的关系
热驱动力与弹性能平衡,称之为热弹性平衡,此时 马氏体将停止生长。热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体 不一样,通常它比母相还软。
形热 貌弹 的性 明马 场氏 像体
箭 状
图4 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大) 图5 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)
形状记忆合金
Shape Memory Alloy
主要内容
形状记忆合金的发展 形状记忆合金的原理 形状记忆合金的分类 形状记忆合金的制备 形状记忆合金的应用
形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。
德国金属学家Martens发现:钢在奥氏体高温区淬 火时,原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散 形式转变为体心立方结构,得到的组织以他的名字 被命名为马氏体。
形状记忆效应原理
形状记忆合金在一定范 围内发生塑性变形后, 经加热到某一温度后能 够恢复变形,实质是热 弹性马氏体相变。
马氏体在外力下变形成 某一特定形状,加热时 已发生形变的马氏体会 回到原来奥氏体状态, 这就是宏观形状记忆现 象,如右图所示。
图6 形状记忆效应 过程的示意图
形状恢复完全可逆需具备以下条件:
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
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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
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(SMA)

• 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
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后
∆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。
9CrSi
• 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
马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性
• 马氏体内一定有晶体缺陷存在,这些缺陷 包括孪晶、高密度位错、层错等
– 高碳钢晶体缺陷:孪晶 – 底碳钢晶体缺陷:高密度位错 – 有色合金晶体缺陷:层错或孪晶
• 马氏体相变具有可逆性:在冷却过程中形 成的马氏体,经过加热后可以通过马氏体 逆转变回到母相状态。
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
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
• 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
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后
∆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。
9CrSi
• 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
马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性
• 马氏体内一定有晶体缺陷存在,这些缺陷 包括孪晶、高密度位错、层错等
– 高碳钢晶体缺陷:孪晶 – 底碳钢晶体缺陷:高密度位错 – 有色合金晶体缺陷:层错或孪晶
• 马氏体相变具有可逆性:在冷却过程中形 成的马氏体,经过加热后可以通过马氏体 逆转变回到母相状态。
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
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
《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〕
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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。
2020/11/27
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。
2020/11/27
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。
2020/11/27
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。
2020/11/27
第一节 形状记忆原理
合金的形状记忆效应与马氏体的可逆相变有 密切关系。在钢铁材料中,马氏体是钢在淬火 过程中产生的高硬度相。它是碳溶于α-Fe而形 成的过饱和固溶体。通常马氏体转变的两个基 本特征是:(1)马氏体转变时,只有点阵的改 变而无成分的变化,是一种非扩散型转变;(2) 马氏体转变是温度的函数,当温度降低至某一 温度Ms时,马氏体迅速产生,然后又会迅速停 止,要使马氏体转变进行,需进一步降低温度, 当温度降低到某一温度以下时,马氏体转变已 不在进行,此温度称为马氏体转变终了温度 (Mf表示)
Gγ Δ Gγ-M
GM Δ GM-γ
Ms Tc
As
2020/11/27
所谓热弹性马氏体相变是指具有马氏体逆转变,且Ms与As相差很小的 合金,将其冷却到Ms点以下,马氏体晶核随温度下降逐渐长大,温
度回升时马氏体又反过来同步地随温度上升而减小。Gγ Gγ-MGM GM-γMs
Tc
As
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这种现象称为形状记忆效应(Shape Memory Effect 简称SME)。
具有形状记忆效应的材料,称为形状记忆合金 (Shape memory Alloy 简称SMA)。
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最早关於形状记忆效应的报导是由Chang及 Read等人作出的。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。
2020/11/27
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Gγ Δ Gγ-M
GM ΔGM-γ
Ms
Tc
As
热弹性马氏体相变并不是发生在 某一温度点,而是一个温度范围,不 同的合金系具有不同的相变温度范围。 形状记忆合金的本质是合金中热弹性 马氏体相变。所谓热弹性马氏体相变 是指具有马氏体逆转变,且Ms与As相 差很小的合金,将其冷却到Ms点以下, 马氏体晶核随温度下降逐渐长大,温 度回升时马氏体又反过来同步地随温 度上升而减小。
2020/11/27
另外,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于 弹性马氏体。即随着应力的增加马氏体长大, 反之马氏体减小。应力消除后马氏体消失, 这种称为应力弹性马氏体。应力弹性马氏体 形成时会使合金产生附加应变,当应力消除 后,这种附加应变也随之消失,这种现象称 为超弹性(伪弹性)。
第三章 形状记忆合金
2020/11/27
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。
2020/11/27
相变特性及相变循环中的关键点
图1显示了相变特性及相变循环中的关键点。其 中温M度s;、AMsf、为A马f是氏逆体相相变变的的起开始始温温度度和和结结束束温时度的。 在一定的载荷下冷却试样,使试样从马氏体相 变发开生始,试温样度开(始M伸s点长)向,马当氏达体到转马变氏,体随相着变相完变成的温 度(Mf点)的同时,试样也停止伸长,这种因相变 导致试样发生的形变称为相变形变。反之,加 热点试)到样全,部从转马变氏为体母相相向的母终相止转温变度的(A开f点始)温,度伴(随As 这一逆向马氏体相变发生的同时,试样回复到 原状。大多数的合金,相变发生在较窄的温度 范围内,而且伴随着滞后现象,以致加热和冷 却的转变过程并不交迭,相变的滞后程度因合 金系的不同而不同。通常SMA能够完全回复的 形变量可达6~8%(远非一般材料所能比拟 的)。他的形变温度范围一般在-100℃~ 200℃之间,主要受合金成分及热处理工艺的影 响。在形变回复时还会产生很大的回复力(有 的高达200MPa)
2020/11/27
热弹性马氏体相变
马氏体相变发生的能量条件是马氏体的化学自由 能必须比母相的低。也就是说,只有当母相过冷 到马氏体相与母相化学自由能平衡温度Tc以下适 当温度Ms时,马氏体将长大,直到热化学自由能 和弹性非化学自由能两者之差最小时,马氏体的 生长过程才告结束。同样,只有当马氏体过热到Tc 以上温度As时,在相变驱动力作用下,马氏体 缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体的长大 或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制 约的相变称为“热弹性马氏体相变”。