形状记忆合金材料

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在马氏体状态下变形，并将其形状固定，然后将合金 加热到高于Af温度50°C以上。 将合金元件在马氏体状态下变形至可回复的程度，加 热使其回复。反复形变、加热，即可得双程记忆。
• 训练：
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全程记忆处理
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含Ni量较高的合金在约束时效时，母相中形
成的细小析出物,产生应力场，从而具有全程记忆 效应。Ti-51Ni合金经800°C固溶处理，冷水中淬 火后，在约束状态下400~500°C时效，便得到全 程记忆效应。目前仅在Ni-Ti合金中发现此效应。
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应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当出去 应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为超弹性。
5.NiTi合金的形状记忆处理 • 只进行固溶处理的TiNi合金几乎没有赝弹性， 其应力---应变曲线随加载-卸载的次数而发生显著的 变化。经过形变加工，时效处理后，其赝弹性大大 增加，而且应力--应变曲线不随加载-卸载次数而发 生显著的变化。因此，要使成型加工后的NiTi合金
2.马氏体
将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却 （淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马 氏体的晶体结构为体心四方结构。高的强度和硬度是钢中 马氏体的主要特征之一。 低碳马氏体具有良好的强度和 一定的韧性，高碳马氏体强度高、韧性大。
3.形状记忆合金的机理
马氏体和奥氏体的相互转变。
三、形状记忆合金的分类
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已发现具有形状记忆效应的合金种类很多，可
以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。目前已
实用化的形状记忆合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合
金。
1.NiTi系形状记忆合金
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NiTi基形状记忆合金具有强度高,耐腐烛性强、
耐磨性好,生物兼容性强的优异性能,在形状记忆 合金的应用方面最广泛。目前,由于第三元素的 加入,NiTi基形状记忆合金的性能特点及应用领域 得到极大的丰富。
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• 固溶”。 • 1932年，瑞典人奥兰德在金隔合金中首次观察到 “记忆”效应。 • 1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合 金中发现了马氏体的热弹性转变。 • 1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金 的形状记忆效应。 • 二元NiTi形状记忆合金机械性能优良、耐腐蚀性 好、形状记忆效应优良、弹性好,在不同的领域得到 了广泛的应用,尤其是在医用材料方面有着不可替代 的作用。 • 但它存在一些不足之处，如相变温度较低。这对 其的应用是一个很大的限制。于是人们希望通过添加 第三种元素来改善其性能,拓展记忆合金的应用领域, 这便产生了三元NiTiX形状记忆合金。
问题;真空感应熔炼炉,利用该溶化炉溶炼时,溶体温度易于
控制,合金成分均匀、准确,间隙元素含量低,适合于金属间 化合物的熔配。为了得到成分均匀的铸锭,同时保证杂质 含量低于生物医用材料的临界值,采用真空感应熔炼法。
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由于W的熔点高达3340°C,与NiTi不存在共晶相变,若采用 超高温溶炼直接与镍钛结合,不仅耗费成本,且会直接导致钛和 镍严重挥发,几乎不可执行。 当NiW形成Ni4W中间合金时,合金溶点最低,达到1525°C, 基本满足感应溶炼能达到的最高温度限度。因此,利用粉末冶 金方法混粉,压制,烧结制成Ni4W中间合金,与电解镍,海绵钛一 起溶炼。 溶炼过程中有化学反应为:Ni4W+Ti—NiTi+W,根据热力学 反应方程式: G=H-TS (2.1) 式中,G为吉布斯自由能,H为反应焓,S为熵, T为反应温度。 当温度大于1000°C时,G<0,反应热力学上可自发进行。 因此,选用中间合金Ni4W及单质Ni,Ti进行溶炼,高温溶炼过程 中Ti与Ni4W中的Ni结合生成NiTi合金,置换出的W原位形核生 长,以析出相形式均勾弥散分布于基体中。
却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，弯度回升
是马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体 叫热弹性马氏体。
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在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，
形成的马氏体叫应力诱发马氏体。 有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏 体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马 氏体叫应力弹性马氏体。
形状记忆合金
一、形状记忆效应 二、形状记忆效应的原理
三、形状记忆合金的分类
四、形状记忆合金的应用
五、形状记忆合金的发展
六、形状记忆合金的制备
一、形状记忆效应
原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到 一定值时，它又恢复到原来弯曲的形状。人们把 这种现象称为形状记忆效应（SMF），具有形状
记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。
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如在NiTi合金中,加入W,会产生明显的固溶 强化,提高NiTiW合金的强度和力学性能。但是W
的加入不会改变整个NiTi合金的相变温度。
2.Cu系形状记忆合金
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Cu基记忆合金分为Cu-Al系和Cu-Zn系,比NiTi
合金生产成本低(10%),而且加工性能好,应用日益
广泛,但是相变温度稳定性差,韧性不好;但是价格
真空感应熔炼炉
低,相变温度区间宽,低滞后以及导热性好。
3.铁系形状记忆合金
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与Ni-Ti基及Cu基合金相比，铁基合金价格低、
加工性好、机械强度高、使用百度文库便。目前已发现
的铁基形状记忆合金的成分、结构和性能，其中
应用前景最好的合金是FeMnSiCrNi和FeMnCoTi
系。
铁基形状记忆合金的成分和性能
四、形状记忆合金的应用
具有形状记忆功能，必须对合金进行训练处理，也
就是记忆热处理，单程、双程和全程形状记忆材料
的形状记忆处理的方法不同。
单程记忆处理
• 中温处理:
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经轧制、冷拔等高度冷加工的合金材料加工成所需形 状，然后在400~500°C加热几分钟至几小时。 800°C以上高温退火后，在室温下成形、加工成所需 形状，再在200~300°C保温数分钟至数十分钟。
4.马氏体相变
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以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为 马氏体相变。马氏体相变往往具有可逆性，即把 马氏体一足够快的速度加热，可以不经分解直接 转变为高温相（母相）。母相向马氏体相转变开 始，终了温度称为Ms，Mf；马氏体向母相逆转变 开始，终了温度成为As,Af。
马氏体相变的一些临界温度
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具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，将其冷
记忆食道支架
• 记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向 食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取 出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。
五、形状记忆合金的发展
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中或油中急冷）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”。 • 十九世纪末期，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。 • 十九世纪末到二十世纪初主要局限于研究钢中的 马氏体转变及转变所得产物——马氏体。 • 二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析的方 法测得钢中马氏体是碳溶于α-Fe而形成的过程和固 溶体，马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳，
六、形状记忆合金的制备
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1、 实验材料
实验原材料为0级海绵钛、1号电解镍(纯度大
于99.96%)、NiW中间合金,采用中频感应炉+石墨
坩埚进行NiTiW铸锭溶炼。将海绵钛压成棒 料,NiW合金棒材压成屑块状。
2、熔炼
• 2.1、熔炼机理
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金属的焰炼方法中电弧炉溶炼应用较为便捷,但铸锭质 量不高;电子束溶炼在高真空条件下会带来合金元素挥发
利用高Ni含量合金析出硬化的优点，Ni含量高于50。 5%的合金，可进行时效处理。在800~1000°C固溶处理， 然后在400°C时效几小时，便可获得单程形状记忆功能。
• 低温处理:
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• 时效处理: •
双程记忆处理
• 强制变形： • 在马氏体状态下的合金进行近10%以上的强制变形。 • 约束加热：
形状记忆效应有三种形式:单程形状记忆效应，
双程形状记忆效应，全程形状记忆效应。
冷却
冷却
冷却
变形
变形
变形
加热
加热
冷却
加热
单程形状记忆效应
双程形状记忆效应
全程形状记忆效应
二、形状记忆效应的原理
1.奥氏体
奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁 的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶 体。奥氏体的晶体结构为面心立方，其溶碳能力较大，强 度低，可塑性强，膨胀灵敏，无磁性，有一定韧性。