形状记忆合金的研究现状及应用特点

形状记忆合金的研究现状及应用特点

摘要：简述了形状记忆合金的发展概况,介绍了形状记忆效应及其特性. 综述了形状记忆合金材料的研究现状、发展趋势及应用特点。

关键词：形状记忆合金形状记忆效应超弹性

引言：形状记忆合金( Shape Memory Alloys , 简称SMA) 是一类具有形状记

忆性能的合金,其主要特征是具有形状记忆效应[1 ] 。作为一种新型的功能材料,形状记忆合金在理论研究方面,国内外已做了大量工作,但有关SMA 的疲劳性能研究成果甚少,寿命预测及安全估计成为主要困难。为了更好地研究和使用,作者对以往的Ni Ti 合金的研究现状和疲劳测试概况进行综述和讨论。

一、形状记忆效应

合金在某一温度下受外力而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某一温度,材料会自动回复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种合金称为形状记忆合金(Shape memory Alloy , SMA) ,所具的回复原始形状的能力,称为形状记忆效应(Shape Mem2ory Effect ,SME) 。形状记忆效应与马氏体相变和逆相变等密切相关,为此定义了各相关的温度点。当冷却时马氏体相变开始温度为Ms 点,终了温度为Mf 点.。当加热时马氏体逆相变开始温度为As点,终了温度为Af 点。应力诱发马氏体相变的上限为Md 点。参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氏体相。形状回复驱动力是在加热温度下,母相与马氏体相的自由能之差。但是,为了使形状恢复完全,马氏体相变必须是晶体学上可逆的热弹性马氏体相变。

二、形状记忆合金材料的研究现状

至今为止已经研究、开发出十几种记忆合金

体系. 包括Ag - Cd、Au - Cd、Cu - Al - Ni 、Cu - Al- Be 、Cu - Au - Zn、Cu - Sn、Cu - Zn、Cu - Zn - X(X= Si 、Sn、Al 、Ga) 、In - Ti 、Ni - Al 、Ti - Ni 、Fe -Pt 、Fe - Pd、Mn - Cu、Ti - Ni - Nb、Ti - Ni - X(X= Hf 、Pd、Pt 、Au、Zr) 、Ni - Mn - Ga 、Ni - Al - Mn、Ni - Co - Al 、Co - Mn、Co - Ni 、Co - Ni - Ga 、和Fe -Mn - Si 等。

Ti - Ni 合金以其优良的形状记忆效应和超弹性、耐磨性、耐腐蚀性以及良好的生物相容性,成为实用化程度最高的合金系列。随着微机电系统(MEMS) 对新型驱动元件的需要、溅射和微加工技术的迅速发展, Ti - Ni 形状记忆合金薄膜得到了广泛的研究。究形状记忆合金薄膜材料的工艺与组织和性能之间的关系、开发材料性能的测试方法与设备、测量和积累性能的基础数据、研制新型的性能优异的复合梯度薄膜、拓宽薄膜的应用范围等已成为形状记忆合金薄膜研究的前沿课题。i - Ni 合金加工较难,价格昂贵,相变温度相对较低. 针对Ni - Ti 合金应用实际,加入第三组元素,以改善性能,降低成本的三元Ni - Ti合金研究受到广泛关注,典型合金为Ni - Ti -Cu。

Cu 基合金是另一种实用性较强的形状记忆合金,主要可分为Cu - Zn 和Cu - Al 两大类,其中最具开发价值的是Cu - Zn - Al 系和Cu - Al - Ni系。与Ti - Ni 合金相比,Cu 基合金价格低廉(成本为Ti - Ni 合金的1P10～1P5) [13 ] ,容易加工,但在实用过程中发现,Cu - Zn - Al 系合金存在疲劳强度低、易发生晶界破坏、高于100 ℃时热稳定性差等问题. 通过添加微量复合稀土能使晶粒细

化,改善力学性能。但其工程元件实用性能测试相对较少,影响了该合金的进一步开发和推广。

三、形状记忆合金的发展趋势

(a) 铁基形状记忆合金,因其很好的可加工性和低廉的价格而备受关注. 最近的研究工作,包括相变机制、影响因素,主要是通过选择合适的合金成分配比和摸索恰当的制备工艺提高和改善Fe - Mn - Si 系合金性能. 新的含NbC、VN 沉淀、无需训练的形状记忆合金,大大降低了加工成本,提高了性价比,应用范围日益拓展。

(b) 高温用形状记忆合金,Cu - Al - Ni 合金通过降Al 提高相变点的方法可以提高使用温度,其典型成分为Cu - 12Al - 5Ni - 2Mn - Ti ,可用做100～200 ℃下动作的热敏元件. Cu - 11. 9Al – 2。5Mn 合金Ms 在150 ℃附近,有较高的抗马氏体稳定化、抗分解能力,有望得到广泛应用。在Ti -Ni 合金中以Hf 、Pd、Pt 、Au、Zr 等贵金属取代部分Ti (Ni) ,可以显著提高相变温度. 高温用形状记忆合金在热驱动器、继电器及核工业等高温领域具

有非常广阔的应用前景。

(c) 磁性形状记忆合金, (Magnetic Shape Mem2ory Alloy , MSMA) 不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应, 而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应,因此, 合金兼有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性, 使其可能在大功率水下声纳、微位移器、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、机器人等领域有重要应用, 有望成为压电陶瓷和磁致伸缩材料之后的新一代驱动与传感材料. 目前,已发现的磁性形状记忆合金主要包括: Ni 系合金Ni - Mn - Ga , Ni - Al - Mn , Ni - Co - Al 等;Co系合金Co - Mn , Co - Ni , Co - Ni - Ga 等; Fe 系合金Fe - Pd , Fe - Mn - Si , Fe - Ni - Co - Ti , Fe- Pt , Fe - C , Fe - Cr - Ni - Mn - Si - Co 等。其中, Ni - Mn - Ga 合金是最早发现的MSMA ,已实现初步应用。

结束语：目前,对形状记忆合金的疲劳研究还局限于测试方法讨论阶段,常用的是试验法、理论分析法、数值计算等方法。鉴于形状记忆材料如Ni Ti 合金的性能独特性,其疲劳性能的研究趋向于把这几种方法结合起来使用(如文献[ 9 ]) ,才有可能更准确地测试其疲劳性能,原因是形状记忆合金独特的记忆效应使得其疲劳行为有别于普通金属材料,由于存在热弹性马氏体现变,其疲劳行为较为复杂,疲劳机理研究还不透彻。根据形状记忆合金的不同性能应用在不同的领域,其疲劳表征方法也不一样,缺乏对记忆合金疲劳性能科学合理的评价手段,并且对于记忆合金疲劳性能的测试方法也是千差万别,没有建立统一规范的测试标准,无法准确地估计疲劳寿命,为其应用带来了安全隐患。针对众多的形状记忆材料的研究结论和方法以及存在的问题,应该加强形状记忆合金的疲劳性能研究,根据形状记忆合金的性能和用途,有必要在世界范围内建立一套统一的研究方法和合理的评价体系,为其使用的安全性和可靠性提供依据。

参考文献

1.陈邦义,梁成浩. 铜基形状记忆合金及其耐蚀性研究进展[J ] . 腐蚀科学与防护技术,2003 ,15 (6) :337

- 341.

2.徐华苹,毛协民. Cu 基形状记忆合金发展现状及展望[J ] . 2005 年中国压铸、半固态加工学术年华专