马氏体相变与形状记忆合金参考幻灯片
合集下载
- 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 和晶体缺陷。马氏体相 变时原子有规则地保持 其相邻原子间的相对关 系进行位移.
1、马氏体相变
形象对说，马氏体相变就像解放军走分列式， 各原子“动作整齐，步调一致”。
1、马氏体相变
• 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。
• 为保持良好形状记忆特性，形变量不能超过一 定值。
✓循环使用次数少时，TiNi合金约为6％，CuZnAl 合金约为2％；
✓循环使用次数多时，分别低于2％和0.5％。
• 形状记忆合金要避免过热，即在形状记忆合金受约 束状态下，不要达到比Af点高很多的温度。
扩散型相变就像团体操，原子从有序的A状态转变 为B状态。转变过程中，各原子有长程的，看似紊
乱的热运动（也就是扩散）。
1、马氏体相变
早在战国时代人们已经知道可以用淬火(即将钢加热 到高温后淬入水或油中急冷) 的方法可以提高钢的 硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。
十九世纪未期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程 中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的 变化。为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的 德国冶金学家Adolph Martens，法国著名的冶金学 家Osmond建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏 体”，并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体 转变。
思考题
对于CuZnAl形 状记忆合金。 为什么温度越 高，“强度” 反而越高？
1、马氏体相变
共析碳钢C曲线图
马氏体转变有一上限温 度，这一温度称为马氏 体转变的开始温度，用 Ms表示。
马氏体转变还有一个下 限温度，用Mf表示，当 奥氏体过冷到Mf以下时 转变也不能再进行了。 称为马氏体转变的下
限温度或马氏体终了
点。也就是说马氏体
转 变 是 在 Ms—Mf 之 间 进行的。
2、形状记忆合金的马氏体相变 • 普通马氏体相变 • 热弹性马氏体相变
1、马氏体相变
相变会产生相界面
(a) 共格界面
(b) 半共格界面 (c) 非共格界面
1、马氏体相变
从原子迁移情况来分
扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子 在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的 转变。 无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变， 如马氏体相变。
1、马氏体相变
有序性，是为了 阻止原子的扩散。
为了维持有序性， 原子就不能乱跑。
具有形状记忆效 应的NiTi合金的 成分就在近等原 子比的范围内
Ti-Ni合金相图
注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随后 的冷却不够快(如炉冷)，就会产生Ti2Ni和Ni3Ti这三 个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而 破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。
4、形状记忆合金的训练
实现形状记忆，前提是形成孪生马氏体+对孪生 马氏体进行变形。然后加热变形后的别针，可以 回到原来的形状。
4、形状记忆合金的训练
实现双程形状记忆，其关键在 于，用降温过程完成（形成孪 生马氏体+对孪生马氏体进行 变形）的功能。
马氏体如何才能乖乖的听话， 仅用温度就能实现转变和变形。
马氏体相变 与形状记忆合金
目录
1、马氏体相变 2、形状记忆合金的马氏体相变 3、有序结构 4、形状记忆合金的训练 5、超弹性合金
1、马氏体相变
相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。
相变表现为： 1）从一种结构转变为另一种结构。 2）化学成分的不连续变化。 3）物质物理性能的突变。
2、形状记忆合金的马氏体相变
温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
宏观形状 发生改变
完成转变的应力 开始转变的应力
温度和应力作用 下得到的马氏体 形态不同。在应 力作用下，对孪 生马氏体进行变 形，使其转变为 退孪生马氏体。
2、形状记忆合金的马氏体相变
应力卸载后，宏观形 状改变得到保留。
驯兽，是改 变了动物的 内心世界。
驯形状记忆 合金：是改 变了材料内 部的缺陷组 态。
4、形状记忆合金的训练
训练过程： 在外加应力下改反反复复 变温度。
平时看的温度驱动马氏体转变，是在无应力状态下， 事实上，无应力状态也不具备什么特别的含义。 如果升高到随机的应力状态后，温度依然可以驱动马 氏体相变的发生。只是所需温度会发生变化。
• 在心脏、下肢和静脉中形成 的血栓被剥离后，通过血管 游动到肺时发生肺栓塞。
• 必须通过服用抗凝剂或外科 切除术进行治疗，但这两种 治疗法都有危险，特别是内 出血时用抗凝剂不能止血。
• 美国用TiNi合金丝试制了用 来阻止游动于静脉中的凝血 块的过滤器。
血栓过滤器
时效后的马氏体会表现的 更加“稳定”，其表现为 从马氏体相回到母相的逆 相变转变温度Af会升高。
✓ 线圈过热，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈 服应力，合金的形状记忆特性变坏。
✓ 合金长时间置于高温，产生不能完全记住该温度下形状 的现象，即记忆力减退。
✓ 当TiNi合金和CuZnAl合金长时间分别置于250℃和90℃ 以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。
5、超弹性合金
普通材料：弹性应变区域非常有限，一旦超过弹性极 限（也就是屈服强度），材料将发生永久塑性变形。
Mf
TEMPERATURE
Ms
As
Af
Austenite
热滞后，反映的是马氏体转变的阻力！
2、形状记忆合金的马氏体相变
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金中的两种相 高温相：奥氏体（通常为立方晶系）
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金中的两种相
低温相：马氏体（通常为斜方相）
正常马氏体
孪生马氏体
Martensite
M—马氏体
1、马氏体相变
四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多有色金属 及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到冷却过程中 发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发 生的马氏体转变。 由于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为： “ 在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏 体 ”。把以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马 氏体相变。
然后对弯曲的别针加 热，将回复到原始形 状。
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆效应示意图
如果材料同时具有热弹 性马氏体相变和应力马 氏体相变。
①先将奥氏体冷却变为 马氏体。
②在马氏体区域进行变 形
③在温度的作用下自动 变为奥氏体。并回复形 状。
2、形状记忆合金的马氏体相变
钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？
实效过程，会形成第二相
马氏体时效效应可以形象
的理解为：用记忆合金制
备的血栓过滤器，如果放
置时间过久，会导致本来 该在人体温度（37℃左右） 打开的支架，来自百度文库要45 ℃才 能打开。
4、形状记忆合金的训练
• 单程形状记忆效应：材料 在高温下制成某种形状， 在低温相时将其变形，再 加热时恢复为高温形状，
• 冷却过程中形成的马氏 体会随温度的变化而继 续长大或收缩，母相和 马氏体相的相界面表现 出弹性式的推移，在相 变的全过程中一直保持 着良好的协调性
热弹性马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
Martensite (twinned)
Mf
TEMPERATURE
Ms 热滞后 As
Af
Austenite
Martensite (twinned)
温度
2、形状记忆合金的马氏体相变
普通铁碳合金：
• 非热弹性马氏体相变
• 相变温度滞后约为几百度
• 各个马氏体片几乎是在瞬间 就长到最终大小，且不会因 温度降低而再长大。
非热弹性马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金：
• 热弹性马氏体相变
• 其相变温度滞后约几十 度，有的形状记忆合金 只有几度的温度滞后
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状恢复完全可逆需具备以下条件： ➢马氏体相变是热弹性的 ➢母相和马氏体呈现有序的点阵结构 ➢马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现 ➢马氏体相变在晶体学上是可逆的 ➢母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（E热）来 驱动马氏体相变
3、有序结构
Different phases of an SMA
4、形状记忆合金的训练
4、形状记忆合金的训练
马氏体转变就 如同彪悍的狮 王，需要食物 +皮鞭。但是 经过驯化后， 只需要食物就 能搞定。
4、形状记忆合金的训练
在外加应力 下，用温度 对形状记忆 合金进行驯 化。训练结 束后，不需 要应力，只 用温度就能 实现双向转 变。
4、形状记忆合金的训练
4、形状记忆合金的训练
•每一个循环都会留 下永久变形 •该变形量越来越小， 直到趋于零，训练 完成
•训练过程是为了引入内部缺陷，在该内部缺陷的作用下， 降温时才会转变为孪生马氏体，否则不具备形状记忆效应。 •如果对训练完成的合金进行退火处理，缺陷组态消失，将 失去形状记忆功能。需要重新训练才能恢复。
5、超弹性合金
5、超弹性合金
5、超弹性合金
若加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生的变形 量无需加热只需卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应 (伪弹性)。
3、超弹性合金
在超弹性效应中， 能回弹的延伸量 很大，可比一般 钢的弹性形变量 达8~10倍
5、超弹性合金
5、超弹性合金
1、马氏体相变
形象对说，马氏体相变就像解放军走分列式， 各原子“动作整齐，步调一致”。
1、马氏体相变
• 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。
• 为保持良好形状记忆特性，形变量不能超过一 定值。
✓循环使用次数少时，TiNi合金约为6％，CuZnAl 合金约为2％；
✓循环使用次数多时，分别低于2％和0.5％。
• 形状记忆合金要避免过热，即在形状记忆合金受约 束状态下，不要达到比Af点高很多的温度。
扩散型相变就像团体操，原子从有序的A状态转变 为B状态。转变过程中，各原子有长程的，看似紊
乱的热运动（也就是扩散）。
1、马氏体相变
早在战国时代人们已经知道可以用淬火(即将钢加热 到高温后淬入水或油中急冷) 的方法可以提高钢的 硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。
十九世纪未期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程 中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的 变化。为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的 德国冶金学家Adolph Martens，法国著名的冶金学 家Osmond建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏 体”，并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体 转变。
思考题
对于CuZnAl形 状记忆合金。 为什么温度越 高，“强度” 反而越高？
1、马氏体相变
共析碳钢C曲线图
马氏体转变有一上限温 度，这一温度称为马氏 体转变的开始温度，用 Ms表示。
马氏体转变还有一个下 限温度，用Mf表示，当 奥氏体过冷到Mf以下时 转变也不能再进行了。 称为马氏体转变的下
限温度或马氏体终了
点。也就是说马氏体
转 变 是 在 Ms—Mf 之 间 进行的。
2、形状记忆合金的马氏体相变 • 普通马氏体相变 • 热弹性马氏体相变
1、马氏体相变
相变会产生相界面
(a) 共格界面
(b) 半共格界面 (c) 非共格界面
1、马氏体相变
从原子迁移情况来分
扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子 在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的 转变。 无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变， 如马氏体相变。
1、马氏体相变
有序性，是为了 阻止原子的扩散。
为了维持有序性， 原子就不能乱跑。
具有形状记忆效 应的NiTi合金的 成分就在近等原 子比的范围内
Ti-Ni合金相图
注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随后 的冷却不够快(如炉冷)，就会产生Ti2Ni和Ni3Ti这三 个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而 破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。
4、形状记忆合金的训练
实现形状记忆，前提是形成孪生马氏体+对孪生 马氏体进行变形。然后加热变形后的别针，可以 回到原来的形状。
4、形状记忆合金的训练
实现双程形状记忆，其关键在 于，用降温过程完成（形成孪 生马氏体+对孪生马氏体进行 变形）的功能。
马氏体如何才能乖乖的听话， 仅用温度就能实现转变和变形。
马氏体相变 与形状记忆合金
目录
1、马氏体相变 2、形状记忆合金的马氏体相变 3、有序结构 4、形状记忆合金的训练 5、超弹性合金
1、马氏体相变
相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。
相变表现为： 1）从一种结构转变为另一种结构。 2）化学成分的不连续变化。 3）物质物理性能的突变。
2、形状记忆合金的马氏体相变
温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
宏观形状 发生改变
完成转变的应力 开始转变的应力
温度和应力作用 下得到的马氏体 形态不同。在应 力作用下，对孪 生马氏体进行变 形，使其转变为 退孪生马氏体。
2、形状记忆合金的马氏体相变
应力卸载后，宏观形 状改变得到保留。
驯兽，是改 变了动物的 内心世界。
驯形状记忆 合金：是改 变了材料内 部的缺陷组 态。
4、形状记忆合金的训练
训练过程： 在外加应力下改反反复复 变温度。
平时看的温度驱动马氏体转变，是在无应力状态下， 事实上，无应力状态也不具备什么特别的含义。 如果升高到随机的应力状态后，温度依然可以驱动马 氏体相变的发生。只是所需温度会发生变化。
• 在心脏、下肢和静脉中形成 的血栓被剥离后，通过血管 游动到肺时发生肺栓塞。
• 必须通过服用抗凝剂或外科 切除术进行治疗，但这两种 治疗法都有危险，特别是内 出血时用抗凝剂不能止血。
• 美国用TiNi合金丝试制了用 来阻止游动于静脉中的凝血 块的过滤器。
血栓过滤器
时效后的马氏体会表现的 更加“稳定”，其表现为 从马氏体相回到母相的逆 相变转变温度Af会升高。
✓ 线圈过热，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈 服应力，合金的形状记忆特性变坏。
✓ 合金长时间置于高温，产生不能完全记住该温度下形状 的现象，即记忆力减退。
✓ 当TiNi合金和CuZnAl合金长时间分别置于250℃和90℃ 以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。
5、超弹性合金
普通材料：弹性应变区域非常有限，一旦超过弹性极 限（也就是屈服强度），材料将发生永久塑性变形。
Mf
TEMPERATURE
Ms
As
Af
Austenite
热滞后，反映的是马氏体转变的阻力！
2、形状记忆合金的马氏体相变
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金中的两种相 高温相：奥氏体（通常为立方晶系）
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金中的两种相
低温相：马氏体（通常为斜方相）
正常马氏体
孪生马氏体
Martensite
M—马氏体
1、马氏体相变
四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多有色金属 及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到冷却过程中 发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发 生的马氏体转变。 由于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为： “ 在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏 体 ”。把以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马 氏体相变。
然后对弯曲的别针加 热，将回复到原始形 状。
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆效应示意图
如果材料同时具有热弹 性马氏体相变和应力马 氏体相变。
①先将奥氏体冷却变为 马氏体。
②在马氏体区域进行变 形
③在温度的作用下自动 变为奥氏体。并回复形 状。
2、形状记忆合金的马氏体相变
钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？
实效过程，会形成第二相
马氏体时效效应可以形象
的理解为：用记忆合金制
备的血栓过滤器，如果放
置时间过久，会导致本来 该在人体温度（37℃左右） 打开的支架，来自百度文库要45 ℃才 能打开。
4、形状记忆合金的训练
• 单程形状记忆效应：材料 在高温下制成某种形状， 在低温相时将其变形，再 加热时恢复为高温形状，
• 冷却过程中形成的马氏 体会随温度的变化而继 续长大或收缩，母相和 马氏体相的相界面表现 出弹性式的推移，在相 变的全过程中一直保持 着良好的协调性
热弹性马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
Martensite (twinned)
Mf
TEMPERATURE
Ms 热滞后 As
Af
Austenite
Martensite (twinned)
温度
2、形状记忆合金的马氏体相变
普通铁碳合金：
• 非热弹性马氏体相变
• 相变温度滞后约为几百度
• 各个马氏体片几乎是在瞬间 就长到最终大小，且不会因 温度降低而再长大。
非热弹性马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金：
• 热弹性马氏体相变
• 其相变温度滞后约几十 度，有的形状记忆合金 只有几度的温度滞后
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状恢复完全可逆需具备以下条件： ➢马氏体相变是热弹性的 ➢母相和马氏体呈现有序的点阵结构 ➢马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现 ➢马氏体相变在晶体学上是可逆的 ➢母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（E热）来 驱动马氏体相变
3、有序结构
Different phases of an SMA
4、形状记忆合金的训练
4、形状记忆合金的训练
马氏体转变就 如同彪悍的狮 王，需要食物 +皮鞭。但是 经过驯化后， 只需要食物就 能搞定。
4、形状记忆合金的训练
在外加应力 下，用温度 对形状记忆 合金进行驯 化。训练结 束后，不需 要应力，只 用温度就能 实现双向转 变。
4、形状记忆合金的训练
4、形状记忆合金的训练
•每一个循环都会留 下永久变形 •该变形量越来越小， 直到趋于零，训练 完成
•训练过程是为了引入内部缺陷，在该内部缺陷的作用下， 降温时才会转变为孪生马氏体，否则不具备形状记忆效应。 •如果对训练完成的合金进行退火处理，缺陷组态消失，将 失去形状记忆功能。需要重新训练才能恢复。
5、超弹性合金
5、超弹性合金
5、超弹性合金
若加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生的变形 量无需加热只需卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应 (伪弹性)。
3、超弹性合金
在超弹性效应中， 能回弹的延伸量 很大，可比一般 钢的弹性形变量 达8~10倍
5、超弹性合金
5、超弹性合金