形状记忆原理及应用

母相与马氏体相变的晶体学可逆性与有序点阵具有密切的
关系，晶体学可逆性通过有序点阵的形成自动得到保障，在母 相→马氏体→母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这 就是单程记忆效应的原因。上图中：a.将母相冷却到点以下进 行马氏体相变，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同， 但在晶体学上是等价的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏 体叫做马氏体变体(Variant),马氏体变体一般有24种，由于相 邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观变形； b.马氏体受外力作用时（加载），变体界面移动，相互吞食， 形成马氏体单晶，出现宏观变形；
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。
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，金属就发生塑性变形，应力消除后就留下永久变 形。但是有些金属材料，在发生了较大变形后（远超过弹性 变形极限），经加热到某一温度之上，能够回复到变形前的 形状，这种现象叫做形状记忆效应（Shape Memory Effect） [1]。如图7.1所示。具有形状记忆效应的金属通常是两种以 上金属元素组成的合金，这种金属合金叫做形状记忆合金 （Shape Memory Alloy）。形状记忆效果一般以形状回复率 来表示。设试样在母相态时原始形状长度为l0，马氏体态时 经形变为l1，经高温逆相变后为l2，则 (%)=(l1-l2)/(l1-l0)100%
SMA管接头应用实例
用该宽滞后记忆合金制备的φ8管接头， 应用于美菱电冰箱的铜-铝管之间的管路 连接，通过了氦气测漏实验，应用与13 台样机上，到目前已将近二年多，无一 泄露事故，目前仍在测试中。
本实验研制的相变宽滞后
记忆管接头
(已在美菱冰箱试用2年)
滞后宽度≥90K
大量使用形状记忆合金材料的是各种管 件的接头。力大，故连接得很牢固，可防 止渗漏，装配时间短，操作方便。美国自 1970年以来，已在F11喷气战斗机的油压系 统配管上采用了这种管接头，其数量超过 10万个，迄今未发现一例泄漏事故。这类 形状记忆合金管接头还可用于核潜艇的配 管、海底管道，电缆系统的连接等
主要技术指标
抗蚀性 与黄铜相当 疲劳寿命 ＞105（ε=0.005） 滞后宽度 ＞90℃ 贮存温度 ＜50℃ 记忆应变 ＞3.5% 拉脱力 ＞350kg（φ8管） 气密性 在振动及50kgf/cm2静压下， 五分钟压力不降，无泄露。
当前国内外同类课题研究水平
美国Raychem公司报道了宽滞后Cu基记忆管接 头，使用的记忆合金为Cu-10Al-5Mn-4Zn，变 形条件是Ms点附近（-40℃）4-5%的变形，声 称滞后宽度可达90K。日本也进行了类似的报道， 并应用于冰箱等管接头连接。但我们的跟踪研究 表明，按Raychem公司和日本报道的条件去做， 可供利用的有效滞后宽度实际上难以达到90K， 合金延伸率也偏低，仅为6%，扩孔时经常开裂， 且合金难以冷加工，尚不能真正实用化。
形状记忆机制示意图（拉应力状态）
设Ms、Mf分别表示冷却时奥氏体（又称为母相）向 马氏转变的开始温度和终了温度，、表示加热时马氏体 向奥氏体逆转变的开始温度和终了温度。具有马氏体逆 转变，且与温度相差（称为转变的热滞后）很小的合金， 将其冷却到点以下，马氏体晶核随着温度下降逐渐长大； 温度回升时，马氏体相又反过来同步地随温度上升而缩 小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，形状记 忆效应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。
传统的记忆合金管接头，需低温扩孔， 储存才能满足低温下的使用。因此需 要昂贵的制备与储存费用。
应用稳定性差（低铝）或成材率低 （高铝）
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wk.baidu.com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。
形状记忆合金中的记忆效应是在马氏体相变中发现的。 通常把马氏体相变中的高温相叫做母相（P），低温相叫做 马氏体相（M），从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相 变，或马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆 相变。
形状记忆效应的分类
形状记忆效应有三种形式。第一种称为单向形状记忆效应，即将母相
冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生变形，改变其
我们新设计的产品具有独立自主的知识产权。
该作品的推广前景及经济效益 预测
宽滞后铜基记忆合金管接头，克服了传统的 记忆合金管接头，需低温扩孔，储存和运输 才能满足低温下的使用的缺点，可以在室温 下扩孔、室温下贮存，并能满足低温下使用 要求，从而简化低温扩孔所需的特殊工装及 低温贮存所需的昂贵费用，因此其将在其将 在军工、舰船、民用工业的中、低压的管道 连接、异种材料管道或其它紧固件的连接中 拥有广阔的市场空间和很强的市场竞争力 （以冰箱为例）。
Type of orbit
Heating rates (W/m2)
Low Earth
Solar, qs 1240
Albedo, qa 380
Earth-emitted, qe 310
Geosynchrono 1240
10
8
us
q T 4
T = 157°C (Sunlight, qs, qa, qe) T = -1°C (Shadow, qe)
不同变形量Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr合金原位观察金金相照 片 （a)淬火态 ,(b)4%, (c)5.5%, (d)6.5%，( e)7.5%
研究表明，合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：
（1）马氏体相变是热弹性的（或半热弹性）； （2）母相与马氏体相呈现有序点阵结构（原子有序排列 状态为一种原子周围出现异类原子的机会大）； （3）马氏体内部亚结构是孪晶（或层错）； （4）相变时在晶体学上具有完全可逆性。
Plan View of the petal locks
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阻尼特性
由于形状记忆合金马氏体相变的自协调和马氏体中形 成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)的滞弹性迁 移，形状记忆合金会吸收能量而具有很好的阻尼特性。 低频交变应力下，马氏体相变内耗属于静滞型能量损 耗机制，内耗与频率、振幅、温度及升（降）温速度 没有本质的依赖关系；高频时，内耗峰的温度随频率 增大而升高，内耗峰是由界面粘滞运动引起的。
c.由于变形前后马氏体结构没有发生变化，当去除外应 力时（卸载）无形状改变；d.当加热高于Af点的温度时， 马氏体通过逆转变将恢复到母相形状。注意形状记忆合金 在逆转变过程中，单一位向的马氏体不会生成多个位向不 同的母相变体。上面已多次提到，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。
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。
SATELLITE THERMAL ENVIRONMENTS
- Environmental heating
qtotal qs qa qe
qs 1350 as cos qa 1350 ( AF )as F cos qe Te4ae F
: angle between the solar-flux vector and surface normal to the antenna, as: surface absorption for solar radiation, ae:surface absorption for Earth radiation AF: the solar albedo factor
形状，再重新加热到马氏体转变为母相的开始温度As以上，马氏体发生 逆转变，温度升至马氏体向母相转变终了温度Af，马氏体完全消失，材
料完全恢复母相形状。一般没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单 向形状记忆效应。
有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；
当从母相再次冷却为马氏体时，自觉回复原马氏体的形状，这种现象称 为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。 第三种情况是在Ti-Ni合金系中发现的，在冷热循环过程中，形状回复到 与母相完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。
创新点：
实现了室温下扩径与储存，在较低温度 （＞-25℃）下使用，从而可节省低温扩 径所需的特殊工装、夹具的制备费用和低 温储存所需的昂贵费用（传统的）。
属高铝铜基记忆合金，抗马氏体稳定化 能力强（工作稳定性高） 。
记 忆 处 理 后 合 金 延 伸 率 δ=12% ， 而 7.5%的变形量即可产生满足所需的滞后 宽度，因而产品成材率高（高铝记忆合金 的δ一般很小）。
高耐热SMA
[231]
Cu-24Al-3Mn合金淬火态马氏体透射电镜衍衬像和电子衍射花样
__
(a)淬_火_态衍衬像；
_ (b) [010]_晶带轴衍射斑； (c) [4_6_1]晶带轴衍射斑；
(d)[231]晶带轴衍射斑；(e)[10151]晶带轴衍射斑；(f) [232]晶带轴衍射斑
❖不 同 变 形 量 下 Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr 合 金 典 型 金 相 组 织
The designed Satellite operating altitude 600-700km, Low Earth 30
Locking mechanisms of the Petals
The petals are unable to form the disc shape designed if they are not aligned together. To solve this problem, we need to lock the petals together.
卫星天线
高技术中的应用 形状记忆合金应用最典型的例子是制 造人造卫星天线。由Ti-Ni合金板制成的天线能卷入卫星 体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其他热源加热 就能在太空中展开。美国宇航局（NASA）曾利用Ti-Ni合 金加工制成半球状的月面天线，并加以形状热处理，然 后压成一团，用阿波运载火箭送上月球表面，小团天线 受太阳照射加热引起形状记忆而恢复原状，即构成正常 运行的半球状天线，可用于通讯。
形状记忆合金的记忆效应机理及应用
李周 2010.9.6
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。
宽滞后铜基记忆合金热收缩管接头的研制
SMA管接头应用原理
记忆管接头的优越性：
记忆管接头的优点： 用记忆管接头进行管道等的连接，具有装配 工艺简单、无污染等优点，在连接密集部件、 不可焊部件、人类不易达到区域的工程部件 （如深水工程、太空工程）、异种材料的连 接等方面更显示了其优越性。
传统铜基记忆合金管接头的缺点：