6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。
功能材料课件-形状记忆合金
合金产生宏观变形 变形随之消失
变形在Ms以上进行 无双程记忆效应
形状记忆
形状记忆合金的应用
阿波罗11号——天线
机械应用
自控元件
形状记忆合金制成的水龙头上的温度调节装置
制作发动机 利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，
产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能、 热能之间的相互转换。
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其特点。
形状记忆合金可以分为三种： 镍钛系 铜系 铁系
其性能见P51 表5-2
镍钛系
基本特点：记忆效应优良、性能稳定、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。
（一）Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变
母相是CsCl结构的体心立方晶体(B2)
铜系
基本特点：形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造， 但强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容 性。 主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来
Cu-Zn合金的热弹性马氏体相变温度极低，通过加入Al, Ge, Si, Sn, Be可以有效的提高相变温度，由此发展了的Cu-ZnX(X= Al, Ge, Si, Sn, Be )三元合金。加入其它组元进一 步提高性能（多元合金）
基于高分子材料中分子链的 取向与分布的变化过程
分子链的取向与分布可 受光、电、热、或化学 物质等作用的控制
SMP 可 以 是 光 敏 、 热 敏 、 电敏等不同的类型。
形状记忆高分子（shape memory polymer, 简称SMP） 热敏型SMP的工作机制
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其基本特点
基于非热弹性可 逆马氏体相变
Fe-Mn-Si Fe-Ni-Si Fe-Cr-Si-Mn-Co
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。
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。
第4章形状记忆合金精品PPT课件
其中，应力－应变关系表现出明显的非线性，这种非线性 弹性和相变密切相关，叫相变伪弹性(Transformation Pseudoelasticity)，也叫超弹性。
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
2020/10/21
37
性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
2020/10/21
24
形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
2020/10/21
25
形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
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290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
2020/10/21
22
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
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性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
2020/10/21
《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》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〕
形状记忆合金英文ppt课件
2024/3/10
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
随温度变化而变化的汤匙
The metal spoon is straight at room temperature , only in the hot drink or heating by other methods，it can be bending, and straightened after cooling.
2
3
Application in different fields
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
What is the shape-memory alloy？
Shape-memory alloy is a regular arrangement of atoms, the volume becomes less than 0.5% of the martensitic phase change alloy. This alloy may be deformed under the external force, when the external force is removed, at a certain temperature conditions, can restore the original shape. Because it has more than a million times to restore function, so called "shape-memory alloys”. Of course, it is impossible to think like a human brain memory.
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
随温度变化而变化的汤匙
The metal spoon is straight at room temperature , only in the hot drink or heating by other methods，it can be bending, and straightened after cooling.
2
3
Application in different fields
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
What is the shape-memory alloy？
Shape-memory alloy is a regular arrangement of atoms, the volume becomes less than 0.5% of the martensitic phase change alloy. This alloy may be deformed under the external force, when the external force is removed, at a certain temperature conditions, can restore the original shape. Because it has more than a million times to restore function, so called "shape-memory alloys”. Of course, it is impossible to think like a human brain memory.
第七章 形状记忆合金PPT课件
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5、形状记忆合金的形状回复机制
• 形状记忆效应通常是合金在母相几乎完全转变为马氏体 的Mf点以下承受形变后发生的。
• 相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征。 在热弹性马氏体相变中形成的24种不同位向的马氏体变 体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正因 为这个原因，在热弹性马氏体逆相变时能够完全地回复 到和相变前一样的母相状态。
2
• 宇宙飞船发射之前，在室温条件 下(Ms)，经过形状记忆处理的 定形的NiTi抛物凸状天线折成直 径小于5cm的球状放入飞船。
• 飞进入太空后，通过加热或利用 太阳能使合金丝升温，当温度高 达77℃(Af)后，被折成球状的 合金丝团就自动完全打开，成为 原先定形的抛物凸状天线。
• 这类应用的开发使状记忆合金材
（4）晶格缺陷与相变可逆性 • 马氏体内一定有晶体缺陷存在。马氏体相变具有可1逆1 性。
• 图2-4
12
13
并不是所有马氏体转变的合金都有形状记忆效应
• 如钢就不显示形状记忆效应。比较一下就可知：
• Fe-30Ni合金的相变滞后温区很宽(As-Ms=400℃)，在冷 却过程中，不断有新的马氏体形成，而且马氏体能在瞬 间达到其最终尺寸；马氏体相变需要在大的驱动力下形 成，即要求的过冷度也大。而且加热时发生的逆相变也
4
图1 σ-ε曲线
一般合金在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除 后变形消失。当应力超过弹性限后，产生塑性变形，在应力卸除 后变形不能完全消除存在残余变形，即不能回复原状。 形状记忆合金则不同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几 到十几的变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上时， 变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应。 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5 。
5、形状记忆合金的形状回复机制
• 形状记忆效应通常是合金在母相几乎完全转变为马氏体 的Mf点以下承受形变后发生的。
• 相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征。 在热弹性马氏体相变中形成的24种不同位向的马氏体变 体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正因 为这个原因，在热弹性马氏体逆相变时能够完全地回复 到和相变前一样的母相状态。
2
• 宇宙飞船发射之前，在室温条件 下(Ms)，经过形状记忆处理的 定形的NiTi抛物凸状天线折成直 径小于5cm的球状放入飞船。
• 飞进入太空后，通过加热或利用 太阳能使合金丝升温，当温度高 达77℃(Af)后，被折成球状的 合金丝团就自动完全打开，成为 原先定形的抛物凸状天线。
• 这类应用的开发使状记忆合金材
（4）晶格缺陷与相变可逆性 • 马氏体内一定有晶体缺陷存在。马氏体相变具有可1逆1 性。
• 图2-4
12
13
并不是所有马氏体转变的合金都有形状记忆效应
• 如钢就不显示形状记忆效应。比较一下就可知：
• Fe-30Ni合金的相变滞后温区很宽(As-Ms=400℃)，在冷 却过程中，不断有新的马氏体形成，而且马氏体能在瞬 间达到其最终尺寸；马氏体相变需要在大的驱动力下形 成，即要求的过冷度也大。而且加热时发生的逆相变也
4
图1 σ-ε曲线
一般合金在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除 后变形消失。当应力超过弹性限后，产生塑性变形，在应力卸除 后变形不能完全消除存在残余变形，即不能回复原状。 形状记忆合金则不同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几 到十几的变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上时， 变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应。 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5 。
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——这称为热弹性平衡状态。
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和 以前完全相同的母相
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 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、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 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，美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中 首次发现该合金具有形状记忆效应
❖ 随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
7
❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 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，已形成的变体周围会形成新变体
——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。
➢ 由四种变体组成的片群的总应变几乎为零 ——这就是马氏体相变的自适应现象——有均匀体
——这种形状变化大于所有可逆形状记忆效应，而 且高温形状和低温形状是完全可以倒置的。
——它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富 镍的Ni-Ti合金中出现。
12
13
二、形状记忆效应的原理
1. 热弹性马氏体相变
❖ 马氏体相变： ➢ 原子无扩散位移（切变），即原子沿相界面作协
作运动，使其形状改变和表面浮凸 ➢ 呈现不变平面应变特征、形核-长大型的一级相变
27
2. 热弹性马氏体相变机制
❖ 马氏体相变是通过无扩散的切变模式完成的，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：
➢ 形状记忆合金相变时围绕母相的一个特定位向常 形成四种自适应的马氏体变体
➢ 这四种变体以母相的惯习面呈对称排列，合称为 一个马氏体群
28
29
马氏体的自适应形成
加热后恢复
3
形状记忆效应示意图
4
❖ 形状记忆合金：具有形状记忆效应的合金
5
❖ 采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源， 开放温度为65~85℃，闭合温度为室温
——花蕾直径80mm，展开直径200mm。
6
形状记忆合金发展历史
❖ 1938年，美国哈佛大学格里奈哥和穆拉迪安发现 Cu-Zn合金在加热与冷却的过程中，马氏体会随 之收缩与长大
形状记忆合金的成分范围和Ms点
合金 AgCd
成分 11-49at%Cd
Ms点/℃ -190/-50
合金 InTi
成分 18-23at%Ti
Ms点/℃ 50/100
AuCd CuAlNi CuAuZn CuSn
46.5-50at%Cd
14-14.5at%Al, 3-4.5at%Ni 23-28at%Au 45-47at%Zn
14
马氏体相变示意图
15
❖ 把马氏体相变开始和相变结束的温度分别表示为 Ms和Mf
❖ 把马氏体逆相变（转变成奥氏体）开始和结束的 温度分别表示为As和AfHale Waihona Puke 16相变驱动力：过冷度
❖ 发生马氏体相变的必要条件：M相的自由能必须 低于A相——需过冷到适当低于T0的温度Ms
——T0和Ms之差称为过冷度：钢铁马氏体相变为 200℃左右；形状记忆合金为5~30℃。
积变化，无明显形状改变。 30
马氏体的再取向
形状记忆合金
Shape Memory Alloys
一、形状记忆合金概述
❖ 形状记忆效应： ➢ 具有一定形状（初始形状）的固体材料 ➢ 在某一低温状态下进行一定限度的塑性变形后
（另一形状） ➢ 通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，
材料完全恢复到变形前的初始形状
2
形状记忆效应实验
原始形状
拉直
❖ 马氏体逆相变也需要驱动力：必须过热到适当高 于T0的温度As
——Ms和As之间的温度差称为热滞后。
17
相变驱动力
18
马氏体相变分类
❖ 根据其转变特点可将马氏体相变分为： ➢ 非热弹性马氏体相变（A类）：热滞后大 ➢ 热弹性马氏体相变（B类）：热滞后非常小
19
20
A类转变：
两类马氏体相变特点
15at%Sn
30/100 -140/100 -150/100 -120/30
NiAl TiNi FePt FePd
36-38at%Al -100/100 49-51at%Ni -50/100
25at%Pt 30at%Pd
/-130 /-100
CuZn 38.5-41.5at% -180/-10 MoCu 5-35at%Cu -250/180
❖ 在Ms以下马氏体瞬间形核、瞬间长大
❖ 随温度下降，马氏体数量增加是靠新核心形成和 长大实现的
❖ 加热时，马氏体在达到As之前已经分解，如Fe-C 合金，因而不发生逆转变
21
B类转变：
❖ 在Ms以下升降温时马氏体数量减少或增加是通过 马氏体片缩小或长大来完成的
❖ 母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变 是可逆的
9
形状记忆效应分类
❖ 单程形状记忆效应：只能记住高温时形状的现象 ❖ 双程形状记忆效应（可逆形状记忆效应）：加热
时恢复高温时的形状，冷却时恢复低温时的形状 ——当温度在高温和低温之间往返变化时，材料自
行在两种形状之间变换。
10
11
❖ 全程形状记忆效应：不仅具有双程形状记忆效应， 而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变 化规律，即记忆了中间过程
24
热弹性马氏体箭状形貌的明场像
25
形状记忆合金马氏体数量随温度的变化
❖ 温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体 又继续长大，也可能出现新的马氏体长大
❖ 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩， 故称为热弹性马氏体
——相变为热弹性马氏体相变。
26
CuAlNi合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而 生长和退缩
❖ 逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和 以前完全相同的母相
22
非热弹性马氏体
热弹性马氏体
23
热弹性平衡
❖ 相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的 共格性好，使界面容易移动：
➢ 在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的 弹性变形随着马氏体片长大而增大
➢ 长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等的 增加与相变自由能的减少相等，马氏体停止长大
❖ 1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发 现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产 生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性
❖ 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、全程 形状记忆效应相继被发现
8
❖ 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，美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中 首次发现该合金具有形状记忆效应
❖ 随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应
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❖ 1963年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发 现Ni-Ti合金具有形状记忆效应
➢ 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，已形成的变体周围会形成新变体
——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。
➢ 由四种变体组成的片群的总应变几乎为零 ——这就是马氏体相变的自适应现象——有均匀体
——这种形状变化大于所有可逆形状记忆效应，而 且高温形状和低温形状是完全可以倒置的。
——它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富 镍的Ni-Ti合金中出现。
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二、形状记忆效应的原理
1. 热弹性马氏体相变
❖ 马氏体相变： ➢ 原子无扩散位移（切变），即原子沿相界面作协
作运动，使其形状改变和表面浮凸 ➢ 呈现不变平面应变特征、形核-长大型的一级相变
27
2. 热弹性马氏体相变机制
❖ 马氏体相变是通过无扩散的切变模式完成的，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：
➢ 形状记忆合金相变时围绕母相的一个特定位向常 形成四种自适应的马氏体变体
➢ 这四种变体以母相的惯习面呈对称排列，合称为 一个马氏体群
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马氏体的自适应形成
加热后恢复
3
形状记忆效应示意图
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❖ 形状记忆合金：具有形状记忆效应的合金
5
❖ 采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源， 开放温度为65~85℃，闭合温度为室温
——花蕾直径80mm，展开直径200mm。
6
形状记忆合金发展历史
❖ 1938年，美国哈佛大学格里奈哥和穆拉迪安发现 Cu-Zn合金在加热与冷却的过程中，马氏体会随 之收缩与长大
形状记忆合金的成分范围和Ms点
合金 AgCd
成分 11-49at%Cd
Ms点/℃ -190/-50
合金 InTi
成分 18-23at%Ti
Ms点/℃ 50/100
AuCd CuAlNi CuAuZn CuSn
46.5-50at%Cd
14-14.5at%Al, 3-4.5at%Ni 23-28at%Au 45-47at%Zn
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马氏体相变示意图
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❖ 把马氏体相变开始和相变结束的温度分别表示为 Ms和Mf
❖ 把马氏体逆相变（转变成奥氏体）开始和结束的 温度分别表示为As和AfHale Waihona Puke 16相变驱动力：过冷度
❖ 发生马氏体相变的必要条件：M相的自由能必须 低于A相——需过冷到适当低于T0的温度Ms
——T0和Ms之差称为过冷度：钢铁马氏体相变为 200℃左右；形状记忆合金为5~30℃。
积变化，无明显形状改变。 30
马氏体的再取向
形状记忆合金
Shape Memory Alloys
一、形状记忆合金概述
❖ 形状记忆效应： ➢ 具有一定形状（初始形状）的固体材料 ➢ 在某一低温状态下进行一定限度的塑性变形后
（另一形状） ➢ 通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，
材料完全恢复到变形前的初始形状
2
形状记忆效应实验
原始形状
拉直
❖ 马氏体逆相变也需要驱动力：必须过热到适当高 于T0的温度As
——Ms和As之间的温度差称为热滞后。
17
相变驱动力
18
马氏体相变分类
❖ 根据其转变特点可将马氏体相变分为： ➢ 非热弹性马氏体相变（A类）：热滞后大 ➢ 热弹性马氏体相变（B类）：热滞后非常小
19
20
A类转变：
两类马氏体相变特点
15at%Sn
30/100 -140/100 -150/100 -120/30
NiAl TiNi FePt FePd
36-38at%Al -100/100 49-51at%Ni -50/100
25at%Pt 30at%Pd
/-130 /-100
CuZn 38.5-41.5at% -180/-10 MoCu 5-35at%Cu -250/180
❖ 在Ms以下马氏体瞬间形核、瞬间长大
❖ 随温度下降，马氏体数量增加是靠新核心形成和 长大实现的
❖ 加热时，马氏体在达到As之前已经分解，如Fe-C 合金，因而不发生逆转变
21
B类转变：
❖ 在Ms以下升降温时马氏体数量减少或增加是通过 马氏体片缩小或长大来完成的
❖ 母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变 是可逆的
9
形状记忆效应分类
❖ 单程形状记忆效应：只能记住高温时形状的现象 ❖ 双程形状记忆效应（可逆形状记忆效应）：加热
时恢复高温时的形状，冷却时恢复低温时的形状 ——当温度在高温和低温之间往返变化时，材料自
行在两种形状之间变换。
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11
❖ 全程形状记忆效应：不仅具有双程形状记忆效应， 而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变 化规律，即记忆了中间过程