弹性马氏体和形状记忆效应

初始形状 低温变形 加 热 冷 却
单程记忆效应
∪
——
∪
双程记忆效应
∪
——
∪
全程记忆效应 ∪
——
∪
∪ —— ∩
Ni-Ti合金具有优良的形状记忆性能，宇航天线。
具有形状记忆效应的合金体系很多，除了Ni-Ti合金 外，还有Au-Cd、Ni-Al系列，Cu与Zn、Pb、Ni、Sn等 其他材料也有此效应。
近年来，在高分子材料、陶瓷材料、超导材料中都发 现了形状记忆效应，而且在性能上各具有特点，更加促 进了形状记忆材料的发展和应用。
伪弹性% 2 1 100% 2
如图8.9所示: 若ε1=ε2，伪弹性为0，没有伪弹性； 若ε1=0，则没有永久变形，是完全的伪弹性； ε1越小，弹性越好。
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产生塑性变形临界值
在不同温度下的临界值 产生伪弹性临界值
图 形状记忆效应、相变伪弹性和应力之间的关系
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7.2 热弹性马氏体相变能量学
性
为上表现为具有超弹性效应，或称为伪弹性
超弹性M相变是有机械驱动力参与的热弹性M相变。 显然，弹性M是外应力的函数，产生的应变不是由材料 屈服塑性变形所造成的，而是由M相变产生的。
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图 发生超弹性变形的应力-应变曲线
图中各阶段的意义： a~b—母相的弹性
变形阶段， b~c—应力诱发M
热 滞 后 现
低于（或高于）相变临界温度才开始 相变的现象称为热滞后现象，AS到MS之 间的温度差称为热滞值。
图8.2是热弹性Au-Gd合金和非热弹性
象
的Fe-30%Ni（质量分数）合金的M相变
热滞现象。
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马氏体相变热滞后现象和相变临界点
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Ms= -30℃
As= 390℃
第7章 弹性马氏体和形状记忆效应
形状记忆效应（shape memory effect， 简称SME）是指材料在一定条件下进行
定 一定程度的变形后，再对材料施加适当 义 的外界条件，材料的变形随之消失而回
复到变形前形状的现象。 具有形状记忆效应的材料称为形状记
忆材料。
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7.1 基本概念
A的数值应当小，使应变能尽可能的低 母相具有高的屈服强度，也有利于弹性协调
比
热弹性M相变时，M长大有一种化学力和弹性力间
喻 的平衡。就象弹簧，拉力和弹力有瞬时的平衡
冷却:ΔGV↑，M长大，→ΔGE与ΔGV平衡为止；
过
加热: ΔGV↓，因ΔGE是弹性的，→M缩小。
程
界面始终保持规则共格关系。这种能来回移动的
同理，使马氏体片半径增大的力也可由偏导数求得
图 Au-47.5Cd和Fe-30Ni（质量分数）合金马氏体相变热滞
Au-47.5Cd: As - Ms=16℃;
Fe-30Ni : As - Ms=420℃左右
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热 弹 性
M
M相变的形状变化是通过弹性变形来协调 的相变称为热弹性马氏体相变，这种马氏体 也就称为热弹性马氏体。
图8.3是热弹性马氏体呈现形状记忆效应的 过程。
合
热滞值很小；相变能垒小；M和母相的比体
金
积接近，M相变时的切变量比较小；具有M相
条
变可逆过程。
件
热弹性M相变是合金具有超弹性效应和形状
记忆效应的基础.
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图 热弹性马氏体呈现形状记忆效应的过程
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形
具有一定形状的固体材料，在某低温下经
状
过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的
界面称为可滑动（glissile）界面。→使相变呈现
可逆性。
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下面讨论系统冷却温度高于Mf时，马氏体的可逆性与能量 之间的关系。形成马氏体时系统自由能的变化为：
G 3 4r2 c G V 3 4r2 c A r 2 cr2
使马氏体变厚的力可以由偏导数为0求得，则可得到化学 力与机械弹性力之间的平衡关系：
形成阶段， c~d—M的弹性变
形阶段， d~e—M的弹性变
形回复阶段， e~f—M逆转变母相
阶段， f~g—母相弹性变形 回复阶段， a~d—加载过程， d~g卸载过程。
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随着外力的增加，试样先是发生弹性变形，应 力超过弹性极限后，随应力的缓慢增大，试样的应 变显著增加。在一定应变范围内卸载，应变会完全 消失，如同弹性变形。
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应
受应力诱发形成的M可能有类似热弹性M相
力 诱 发
M
变的现象。在MS ~ TC温度范围内对合金施加 应力，相当于为M相变提供了外来的克服形核 位垒的能量，就有可能在MS以上就形成M
当外力超过母相弹性极限后，母相中将产生
超
M，且随应力的增大，M不断长大；当去除外
弹
应力后，M又逐渐缩小，直至消失。在力学行
G cr
3 4r2G V2Ac r
GV
2Ac r
（8.5）
其物理意义是当马氏体片迅速长大到一定的半径时，这
个马氏体片就会变厚，直到化学力与弹性力平衡。 UJS—Dai QX
由式（8.5）可知：对于一定的r值，冷却时，因为 GV 增大，所以c也增大。这说明马氏体片要增厚；加热时，因
为 GV 减小，所以c也减小，马氏体片缩小.
马氏体弹性应变能可以用一个马氏体片的体积乘以单位 体积应变能来表示，即：
Ge
4r2cAc
3
r
A 8 ( (1 2 ))2 4e n 2 (2 e n 2)
式中，μ为切变模量，ν为泊桑比，γ为切变分量，en 是
膨胀分量, r 、c分别为马氏体片的半径和半厚
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弹性 协调
但和一般弹性变形不同的是，这种弹性变形的应 变量大得多，所以称为超弹性（superelasticity）变 形，又称为伪弹性（pseudoelasticity）变形。
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伪弹性与热弹性直接相关，差别在于伪弹性相变除了 化学驱动力外还有机械驱动力，而且产生马氏体相变的温 度高于MS，就象钢中形变诱发马氏体相变一样，但它是 具有弹性马氏体性质的。其伪弹性程度可由下式表示：
记 忆 效 应
某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形 状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记 忆效应的材料称Βιβλιοθήκη Baidu形状记忆材料。
三种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效 应和全程形状记忆效应。如图8.4。
通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状 的现象称为双程(或可逆)形状记忆效应.
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