马氏体相变与形状记忆效应讲解

Gc P→M
右图中:T0是母相与马氏体相 吉布斯自由能相等的温度， 即两相处于平衡的温度．
马氏体形成：驱动力必须 克服相变阻力，即： －Gc P→MGnc P→M + Gs 即相变要有过冷度．
马氏体转变开始的温 度：Ms．
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• 对于一些材料，如钢，相变时应变能等相变阻力较高，需要很大的过冷度. • 有一些合金，相变阻力较小，相变时应变能在合金的弹性应变能范围内, 只需
施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象．
第一节 马氏体相变与形状记忆效应
一．热弹性马氏体相变与形状记忆效应
• 合金形状记忆效应实质：在温度和应力作用下，合金内部热学，马氏体相变的自由能变化为：
G(T) P→M = Gc P→M + Gnc P→M + Gs
• 马氏体对称性低，{128}晶面组的各个晶面不等效， <2 1 0>晶向组的各个晶 向也不等效.
• 由马氏体逆转变回母相时，没有多个1等效的取向关系．马氏体只能按其在母 相中形成的取向关系逆转变回母相．这样，马氏体逆转变完成后，母相在晶 体学上回复到马氏体相变前的状态．这一晶体学上的回复以及相变热力学上 的可逆性是形状记忆效应的基础．
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对于Cu-Zn-Al合金，母相与马氏体间取向关系：
(1 1 0)P //(12 8)M
[111]p // [ 210]M，
(110)p偏离(001)M约4°
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• 母相具有立方晶系高对称性: – {110 }晶面组的6个晶面: (110), (1 1 0) , (101), (10 1) , (011), (01 1) 等效; – <1 1 1>晶向组的4个晶向：[111]、[1 1 1]、[1 1 1]、[11 1] 等效. – 按六个等效晶面、四个等效晶向组合，共有24个等效取向关系. – 单晶母相中形成马氏体时，马氏体按这24个等效取向关系形成，获得24 个不同位向的马氏体，每个位向的马氏体称为马氏体的一个变体．
Af
Ms 20C As
Mf
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• 形状记忆效应：
– 将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下 进行一定限度的变形卸 去载荷，变形被保留下来．
– 将变形了的试样加热到As点以上，试样开始恢复变形前的形状．加热到 Af点，试样恢复变形前的形状．
– 形状记忆效应中变形是在马氏体相的变形．形状记忆效应中变形的恢复 对应于马氏体逆转变回母相．
• 当母相是DO3结构时，马氏体相晶体相邻的两个密排面的原子有序不同，分
别以A和A´表示.
– 6R结构的堆垛的顺序: AB´CA´BC´AB´CA´BC´… ， – 18R结构的堆垛的顺序: AB´CB´CA´CA´BA´BC´BC´AC´AB´…。
• 马氏体的晶体结构属正交或单斜晶系，对称性较低.
• 当母相是B2型有序结构时，马氏体的晶体结构可看成是以图4-5 a) 第一行所 示（下页）的密排面为底面沿z方向按一定方式的堆垛. – 为保证密排堆垛结构，堆垛时必须按照以下的规则：若第一层的原点在A， 则第二层的原点可放在B或C . 若第二层的原点在B，则第三层的原点可 放在A或C，以此类推. • 当堆垛的顺序是ABABAB…时是2H结构 . • 当堆垛的顺序是ABCABC…时是3R结构. • 当堆垛的顺序是ABCBCACABABCBCACAB…时是9R结构，如图45b)所示 .
– Ms、As、Mf、Af－表征记忆合金热弹性马氏体相变的特征温度，也是 形状记忆过程中变形及形状恢复的特征温度．热滞后(As－Ms)也是记忆 合金的一个重要参量．
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二．形状记忆效应的晶体学机制
• 形状记忆合金有三个特征： – 合金能够发生热弹性马氏体相变； – 母相和马氏体的晶体结构通常均为有序的(所谓有序结构, 即溶质原子在 晶格点阵中有固定位置)； – 母相的晶体结构具有较高的对称性，而马氏体的晶体结构具有较低的对 称性．
较小的驱动力，即较小的过冷度, 就开始形成马氏体. – 对这些合金： • 随着马氏体的形成，弹性应变能 ，需温度 ，化学驱动力 ，母相 马氏体． • 温度，化学驱动力，弹性应变能驱动逆转变：马氏体母相． • 相变中，冷却时马氏体长大，加热时马氏体缩小．马氏体的长大和缩 小受热效应（化学驱动力）和弹性效应两个平衡条件的制约．这种由 热效应与弹性效应之间的平衡控制的马氏体相变称热弹性马氏体相变， 其产物称热弹性马氏体． • 由于热弹性马氏体相变的应变能在弹性应变能范围内，相变的过冷度 很小，热弹性马氏体相变是可逆相变．
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– G(T) P→M－母相转变为马氏体的自由能变化；
– Gc P→M－母相转变为马氏体的化学驱动力(Gc P→M=GM-GP )；
– Gnc －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,它 正比于马氏体体积的1/2次方；
– Gs－弹性应变能以外的 相变阻力，近似看作定值．
第四章 形状记忆材料与智能材料
• 形状记忆材料：具有形状记忆效应(Shape Memory Effect，缩写
SME)的材料． – 有形状记忆效应的金属材料通常称为形状记忆合金(Shape Memory
Alloys，缩写SMA). • 形状记忆效应：将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料
• 用电阻法测得的热弹性马氏体随温度变化的相变过程：
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• 发生相变时，电阻随温度的变化 偏离线性关系. – 马氏体转变开始、终了温 – 度：Ms 、 Mf; – 马氏体逆转变开始、终了 温度：As、Af． – 定义：As与Ms的差为热 滞后(As－Ms)，表征马氏 体逆相变相对于马氏体相 变的滞后．
• Otsuka，Shimizu和Wayman等人以上面三个特征为基础，建立了形状记忆效 应晶体学模型．
• Cu-Zn-Al记忆合金: 母相-´相, 视其成分的不同, 其晶体结构为: B2(CsCl)或DO3(Fe3Al)．
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• 但马氏体的晶体结构复杂多样：有2H、3R、6R、9R、18R(Ramsdel符号)等 不同结构，它们都属密排堆垛结构.