形状记忆合金(修改)

热弹性马氏体相变合金的形状记忆原理
5.13形状记忆效应过程示意图
由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合
金应具备如下条件：
①马氏体相变是热弹性的；
②马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构
为孪晶或位错；
⑦母相和马氏体均为有序点阵结构；
④相来自百度文库时在晶体学上具有完全可逆性。
☞必须指出的是：近来开发的铁系等少量合金 通过非热弹性马氏体相变也可显示形状记忆效 应，因此热弹性马氏体并不是具有形状记忆效 应的必要条件。 ☞近年来，在陶瓷材料、高分子材料也发现了 记忆效应。

1975年以来，形状记忆合金作为一种新型功能材料,其应用研 究已十分活跃。
☞合金的这种记忆效应是由合金的 “相变
化”来实现的，随着温度的改变，合金的
结构从一相转变到另一相。
☞记忆合金的开发迄今不过20余年，但由
于其在各领域的特效应用，正广为世人所
瞩目，被誉为"神奇的功能材料"。
一、形状记忆效应(Shape Memory Effect)
热滞后。A类转变的热滞后大，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
(A) (B)
thermal hysteresis
Fraction martensite
合金)，因而不
发生逆转变。
五、形状记忆合金的应用(Applications) 六、材料学方面的问题(Problems)

形状记忆是指具有初始形状的制品变形后，通过加热 等处理手段又回复初始形状的功能。具有形状记忆功 能的材料包括形状记忆合金和形状记忆聚合物。

形状记忆效应最早发现于30年代， 1932年,瑞典人奥兰德在 金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变 之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变
止，即热驱动力与弹性能 平衡，称之为热弹性平衡. 热弹性马氏体与钢中的淬 火马氏体不一样，通常它
状热 形弹 貌性 的马 明氏 场体 像箭
比母相还软。
冷却
加热
(Thermoelastic Martensitic Transformation)
CuAl14Ni4.2单晶奥氏体基体中的马氏体箭随冷却和加 热而生长和退缩(Growth and decay of a martensitic arrow in an austenitic matrix upon cooling and subsequent heating.CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal)

2、马氏体相变机制 马氏体相变是通过切变完成的， 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
(011)
变时围绕母相的一个特定位向常
常形成四种自适应的马氏体变体
[100]
(Variant ），并以母相的惯习面
呈对称排列，这四种变体合称为
马氏体片群
一个马氏体群，如右图所示。
形状记忆效应示意图
这种只能记忆住高温时形状的现象称为单向 记忆效应（又称单程记忆）。
某些记忆材料例如TiNi合金及Cu基记忆合金经 过一定的特殊处理后，材料可以“记忆”住高 温时的形态，又可“记忆”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，这种现象称为双向记忆 效应（Two Way Memory Effect，简写为 TWME）。
图5.5马氏体相变的临界温度
☞一般材料的相变温度滞后（As-Ms）非 常大，例如Fe-Ni合金约400℃。各个马氏 体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不 会随温度降低而再长大。 ☞在记忆合金中，相变滞后比前者小一个 数量级，例如Au-47.5%Cd（原子分数） 合金的相变滞后仅为15℃。冷却过程中形 成的马氏体会随着温度变化而继续长大或 收缩，母相与马氏体相的界面随之进行弹 性式的推移。
热弹性马氏体相变
Martensitic arrow in austenitic matrix. CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal
CuAl14Ni4.2单晶奥氏体基体中的马氏体箭
(Thermoelastic Martensitic Transformation)
热弹性马氏体相变
马氏体变体
Martensite variants
马氏体的再取向
对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在 较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向 与外加应力相适应而再取向。即变体的应变方 向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它 应变方向与外加应力不相适应的变体而长大， 直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转 变成一个变体。这时，由母相转变为马氏体所 产生的相变应变不再互相抵消，而是沿外加应 力方向累积起来，样品显示出宏观形状的变化。 卸去应力后，变形保持下来。
的片群的总应变几乎为零，这就是
[100]
马氏体相变的自适应现象。
马氏体的自适应形成
由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显 然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的 方向是不同的。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，在已形成的变体周围会形成新的变体， 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。有均匀体积变化，无明显 形状改变。

如不考虑母相原子区别，形状记忆合金的母相主要是 体心立方结构，密排面(即惯习面)为{110}，因此，相 变后的马氏体片群有六个，形成24种马氏体变体。当 一片马氏体形成时，由于剪切变形， 在周围母相中造成了很大的内应力， 当在这片马氏体附近形成另一片马 氏体变体时，便可抵消单片马氏体
(011)
所产生的切应变，由四种变体组成

形状记忆效应与其组织变化 有关，这种组织变化就是马 氏体相变。形状记忆合金应
具备以下三个条件：

①马氏体相变是热弹性类型的； Cu-Zn形状记忆合金中的马氏体

②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移
产生；

③母相和马氏体相均属有序结构。

1、热弹性马氏体相变 (Thermoelastic Martensitic Transformation) 马氏体相变是无扩散型转变。根据其转变特点可将
(A) (B)
thermal hysteresis

相变时热滞后小，反映了相变驱动力（母相与马氏体 相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移 动。这种热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相
变称为热弹性马氏体相变。冷却时驱动力大，马氏体
长大，同时马氏体周围母相中产生的弹性能增加，冷
却停止，马氏体长大也停

右图中，A与C、B与D互为孪晶，
当其变形时 , 假设应力方向与 A 的应变方向相近，这时 D、C 就 会以孪生方式向 A转变，并以界 面的移动合并 B。同样，六个群 体也可互相转化，最后 24 个变 体可变成一个方位的单晶马氏体，
这就是马氏体再取向过程，当大
部或全部马氏体都采取一个取向
时，便显示出明显的变形。
单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图
双向记忆效应
(two-way memory)

具有双向记忆的合金，在一定温度区间，随温 度升降，材料将反复变形。
全方位形状记忆效应
另有一种特异的现象，它不仅具有 双向形状记忆效应，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
这种在温度循环过程中出现的自发形 状变化，其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，这种记忆效应 称为全方位形状记忆效应（AllRound Shape Memory Effect，缩写 为ARSME）。

某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态
下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后
的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料 就能完全恢复变形前
的形状和体积，这种
现象称为形状记忆效 应(SME)。具有形状 记忆效应的合金称形 状记忆合金(SMA)。
形状记忆效应
形状记忆效应
形状记忆效应
SMA中的孪晶马氏体
Twinned Microstructure
TaRu 孪生组 织内的 透镜状 孪晶
TaRu 孪生组 织内的 反向畴 界 具有粗细孪晶 NbRu的典型组织
自适应马氏体
Self-Accommodating Martensite
Cu-Zn形状记忆合金 中的自适应马氏体
Ti-48.2Ni1.5Fe合金 中R相自适 应现象的光 镜组织
只有将其加热到Af以上，由于热弹性马氏体在晶体 学上可逆性，也就是在相变中形成的各个马氏体变 体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系， 因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样也 就回复到原状。这就是形状记忆的基本原理。
形状记忆合金变化机理示意图
形状记忆效应机理示意图
母相 →冷却→马氏体 →变形→变形马氏体→变形→变形马氏体→加热 → 母相
设想
自动张开收缩的窗帘 自动控制水温的热水器

形状记忆合金
（Shape Memory Alloys）

一、形状记忆效应(Shape Memory Effect) 二、形状记忆效应的机理(Mechanism) 三、相变超弹性(Pseudoelasticity)


四、形状记忆合金材料(SMA Materials)
A、B类马氏体相变的热滞后

B类转变热滞后非常小，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，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。
A、B类马氏体相变的热滞后
Fraction martensite
半热弹性马氏体相变合金的形状记忆原理
5.14具有半热弹性马氏体相变合金形状记忆效应机理示意图


3、相结构(Phase Structure)
母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相
变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构
比较简单，主要是B2和DO3。如果不考虑原子差别， 两者都是体心立方。 马氏体的晶体结构复 杂一些，大多为长周 期堆垛。同一母相转
全方位形状记忆效应示意图
二、形状记忆效应的机理(Mechanism)
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c. b.c.c
图5.1马氏体相变晶体学模型
定义：替换原子无扩 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 不变平面应变特征的 一级、形核-长大型 的相变。
图5.2马氏体相变示意图
图5.3马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变
•点阵不变平面应变
•固定取向关系
•马 氏 体 片 内 具 有 亚 结 构
•相变具有可逆性
图5.4马氏体相变的一些临界温度
临界转变温度 ☞马氏体相变与其他相变一样，具有可逆 性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相， 称为冷却相变，用Ms、Mf分别表示马氏 体相变开始与终了的温度。 ☞加热时发生马氏体逆变为母相的过程。 该逆相变的起始和终止温度分别用As与Af 表示。
回到原来的形状。

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。在一次试验中他们将试验用弯曲的镍-钛合金丝拉直后 升温试验时，发现已经被拉直的镍-钛合金丝突然又全部恢复 到原来弯曲的形状, 而且和原来一模一样, 具有良好的形状 记忆效应。这引起了人们的重视并开始进行集中研究.
transformation front passing through the wire during a load controlled experiment
Martensitic transformation of Iron-based shape memory alloy observed in the laboratory.

马氏体相变分为非热弹性马氏体相变（A类）和热弹
性马氏体相变（B类）两类。
非热弹性马氏体
NON-THERMOELASTIC MARTENSITE
热弹性马氏体
THERMOELASTIC MARTENSITE

冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度 Ms 与加热
时马氏体转变为母相的起始温度As之间的温度差称为