形狀記憶合金

1、現(xiàn)代新型材料與納米材料現(xiàn)代新型材料與納米材料 new materials and nanometer- materials（5） 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 劉穎教授主講劉穎教授主講 2 第五講第五講 形狀記憶合金形狀記憶合金 shape memory alloy 3 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 形狀記憶合金的發(fā)展形狀記憶合金的發(fā)展 形狀記憶合金的原理形狀記憶合金的原理 形狀記憶合金的分類形狀記憶合金的分類 形狀記憶合金的制備形狀記憶合金的制備 形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 4 金屬具有記憶能力金屬具有記憶能力 人們把具有人們把具有“記憶能力記憶能力”的合金的合金(shape meme

2、ory alloysma)做成花、鳥、魚、蟲等各種造型，只做成花、鳥、魚、蟲等各種造型，只 要浸入一定溫度的水中，可以出現(xiàn)花開放，鳥展翅要浸入一定溫度的水中，可以出現(xiàn)花開放，鳥展翅 ，魚擺尾，蟲蠕動等現(xiàn)象，栩栩如生，如魔術(shù)般使，魚擺尾，蟲蠕動等現(xiàn)象，栩栩如生，如魔術(shù)般使 人驚嘆。人驚嘆。 用用cuznal記憶合金片制備的記憶合金片制備的 金屬花，以熱水或熱風(fēng)為熱金屬花，以熱水或熱風(fēng)為熱 源，開放溫度為源，開放溫度為65-85， 閉合溫度為室溫，花蕾直徑閉合溫度為室溫，花蕾直徑 80mm，展開直徑展開直徑200mm。 5 人們對形狀記憶效應(yīng)的物理本質(zhì)及其影響因素已有較人們對形狀記憶效應(yīng)的物理本質(zhì)

3、及其影響因素已有較 為清晰的認識，形狀記憶合金已被確認為一種為清晰的認識，形狀記憶合金已被確認為一種熱驅(qū)動熱驅(qū)動 功能材料功能材料，人們利用其形狀記憶效應(yīng)，在，人們利用其形狀記憶效應(yīng)，在儀器儀表、儀器儀表、 自動控制、航空航天、醫(yī)療器具、汽車工程以及機器自動控制、航空航天、醫(yī)療器具、汽車工程以及機器 人人等領(lǐng)域中實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。等領(lǐng)域中實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。 形狀記憶形狀記憶 合金的應(yīng)用合金的應(yīng)用 6 形狀記憶合金的發(fā)展形狀記憶合金的發(fā)展 7 形狀記憶效應(yīng)源自材料中發(fā)生的馬氏體相變形狀記憶效應(yīng)源自材料中發(fā)生的馬氏體相變。 德國金屬學(xué)家德國金屬學(xué)家martens發(fā)現(xiàn)：鋼在奧氏體高溫區(qū)發(fā)現(xiàn)：鋼在奧氏體高溫區(qū)

4、 淬火時，原來面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)以原子淬火時，原來面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)以原子無無 擴散形式轉(zhuǎn)變擴散形式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，得到的組織以他為體心立方結(jié)構(gòu)，得到的組織以他 的名字被命名為的名字被命名為馬氏體馬氏體。 板條馬氏體板條馬氏體鋼的淬火鋼的淬火 8 1938年，美國的格里奈哥和穆拉迪安在年，美國的格里奈哥和穆拉迪安在cu-zn合合 金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變熱彈性轉(zhuǎn)變，他們的研究在，他們的研究在 當(dāng)時并沒有受到世界的重視；當(dāng)時并沒有受到世界的重視； 1951年，美國的里德等人在年，美國的里德等人在au-cd合金的研究中合金的研究中 首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應(yīng)；

5、首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應(yīng)； 隨后，在隨后，在inti合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。 這些合金價格昂貴，難以實現(xiàn)應(yīng)用，人們開始尋這些合金價格昂貴，難以實現(xiàn)應(yīng)用，人們開始尋 找成本低廉的形狀記憶合金。找成本低廉的形狀記憶合金。 9 低成本形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的。低成本形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的。 1962年，美國海軍軍械研究所將年，美國海軍軍械研究所將niti合金合金作為作為對對 溫度敏感的振動衰減合金溫度敏感的振動衰減合金加以研究，在討論該項加以研究，在討論該項 研究經(jīng)費分配時，研究經(jīng)費分配時，某一成員用手將這種材料制成某一成員用手將這種材料制成 的細

6、絲一端彎曲，無意中靠近手中點燃的雪茄，的細絲一端彎曲，無意中靠近手中點燃的雪茄， 忽然發(fā)現(xiàn)靠近火焰部分的細絲伸直了忽然發(fā)現(xiàn)靠近火焰部分的細絲伸直了。 1963年，軍械研究所宣布在年，軍械研究所宣布在niti合金絲中發(fā)現(xiàn)了合金絲中發(fā)現(xiàn)了 形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)。 niti合金具有強度高、塑性大、耐腐蝕性好、成合金具有強度高、塑性大、耐腐蝕性好、成 本相對低廉等許多特點本相對低廉等許多特點而引起極大關(guān)注，人們開而引起極大關(guān)注，人們開 始考慮形狀記憶合金的廣泛應(yīng)用。始考慮形狀記憶合金的廣泛應(yīng)用。 10 1970年，人們又在成本更為低廉的年，人們又在成本更為低廉的cualni合金合金 中也發(fā)現(xiàn)形狀

7、記憶現(xiàn)象，并中也發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn) 生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性。 以此為轉(zhuǎn)折點，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā)以此為轉(zhuǎn)折點，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā) 現(xiàn)這種現(xiàn)象，如表所示。現(xiàn)這種現(xiàn)象，如表所示。 現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)一些有機高分子材料、無機陶瓷有機高分子材料、無機陶瓷 等等都具有形狀記憶的功能。都具有形狀記憶的功能。 11 形狀記憶合金的成分范圍和形狀記憶合金的成分范圍和ms(馬氏體相變開始溫度馬氏體相變開始溫度)點點 合金合金成分成分ms點點/合金合金成分成分ms點點/ agcd11-49at%

8、cd-190/-50inti18-23at%ti50/100 aucd46.5-50at%cd30/100nial36-38at%al-100/100 cualni 14-14.5at%al, 3-4.5at%ni -140/100tini49-51at%ni-50/100 cuauzn 23-28at%au 45-47at%zn -150/100fept25at%pt/-130 cusn15at%sn-120/30fepd30at%pd/-100 cuzn38.5-41.5at%-180/-10mocu5-35at%cu-250/180 12 形狀記憶合金的原理形狀記憶合金的原理 13 fe

9、在在910以下為體心立方晶格結(jié)構(gòu)的以下為體心立方晶格結(jié)構(gòu)的-fe，910 以上為面心立方晶格結(jié)構(gòu)的以上為面心立方晶格結(jié)構(gòu)的-fe。 碳溶解到碳溶解到-fe中形成的固溶體為中形成的固溶體為鐵素體鐵素體(f)；碳溶；碳溶 解到解到-fe中形成的固溶體為中形成的固溶體為奧氏體奧氏體(a)；如果奧氏；如果奧氏 體體以較大的冷卻速度過冷以較大的冷卻速度過冷，奧氏體中的碳原子沒有，奧氏體中的碳原子沒有 擴散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和擴散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和 的固溶體，稱為的固溶體，稱為馬氏體馬氏體(m)。 由于含碳量過飽和，馬氏體的強度和硬度高、塑性由于含碳量過飽和，馬氏

10、體的強度和硬度高、塑性 低，脆性大。低，脆性大。 奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體 14 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)：具有一定形狀的固體材料：具有一定形狀的固體材料( (通常是通常是 具有具有熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的材料的材料) )，在某一溫度下，在某一溫度下( ( 處于馬氏體狀態(tài)處于馬氏體狀態(tài)mf) )進行一定限度的塑性變形后，進行一定限度的塑性變形后， 通過加熱到某一溫度通過加熱到某一溫度( (通常是該材料馬氏體完全消通常是該材料馬氏體完全消 失溫度失溫度af)上時，材料恢復(fù)到變形前的初始形狀上時，材料恢復(fù)到變形前的初始形狀。 具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)的合

11、金稱為形狀記憶合金。 15 形狀記憶效應(yīng)實驗形狀記憶效應(yīng)實驗 原始形狀原始形狀拉直拉直加熱后恢復(fù)變形加熱后恢復(fù)變形 前形狀前形狀 16 熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變 面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)的面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)的 原子經(jīng)原子經(jīng)無擴散位移無擴散位移，產(chǎn)生，產(chǎn)生形形 狀改變和表面浮凸?fàn)罡淖兒捅砻娓⊥梗@種呈，這種呈 現(xiàn)現(xiàn)不變平面特征不變平面特征的的一級相變一級相變 、形核長大型相變、形核長大型相變稱為稱為馬氏馬氏 體相變體相變，相變后形成體心立，相變后形成體心立 方的馬氏體。方的馬氏體。 把馬氏體相變開始和相變結(jié)把馬氏體相變開始和相變結(jié) 束的溫度表示為束的溫度表示為ms和和mf，把，把 馬氏

12、體逆相變馬氏體逆相變(轉(zhuǎn)變成奧氏體轉(zhuǎn)變成奧氏體) 的溫度表示為的溫度表示為as和和af。 鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變 17 為使為使a(母相母相)-m(馬氏體相馬氏體相)相變產(chǎn)生，相變產(chǎn)生，m相的化學(xué)自相的化學(xué)自 由能必須低于由能必須低于a相相。 相變需要驅(qū)動力相變需要驅(qū)動力，不過冷到適當(dāng)?shù)陀?，不過冷到適當(dāng)?shù)陀趖0(a相和相和m相相 化學(xué)自由能達到平衡化學(xué)自由能達到平衡)的溫度，相變不能進行，的溫度，相變不能進行， 逆相變也需驅(qū)動力逆相變也需驅(qū)動力，必須過熱到適當(dāng)高于，必須過熱到適當(dāng)高于t0的溫度的溫度 ，相變才能進行。，相變才能進行。 馬氏體相和母相化學(xué)馬氏體相和母相化學(xué) 自由能差隨溫度變

13、化自由能差隨溫度變化 與馬氏體相變的關(guān)系與馬氏體相變的關(guān)系 18 低于低于ms溫度下，馬氏體形成以后，溫度下，馬氏體形成以后，界面上的彈性變界面上的彈性變 形隨著馬氏體的長大而增加；形隨著馬氏體的長大而增加； 當(dāng)當(dāng)表面能、彈性變形能及共格界面能等表面能、彈性變形能及共格界面能等能量消耗的能量消耗的 增加增加與與相變化學(xué)自由能的減少相變化學(xué)自由能的減少相等時相等時，馬氏體和母，馬氏體和母 相間達到相間達到熱彈性平衡狀態(tài)熱彈性平衡狀態(tài)，馬氏體停止長大。，馬氏體停止長大。 cualni合金冷卻過程中熱彈性馬氏體相變合金冷卻過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體長大馬氏體長大) 19 溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變

14、驅(qū)動力增加，馬氏體又溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅(qū)動力增加，馬氏體又 繼續(xù)長大，也可能出現(xiàn)新的馬氏體生長。繼續(xù)長大，也可能出現(xiàn)新的馬氏體生長。 溫度升高，相變驅(qū)動力減小，馬氏體出現(xiàn)收縮。溫度升高，相變驅(qū)動力減小，馬氏體出現(xiàn)收縮。 熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)之間的平衡態(tài)熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)之間的平衡態(tài)是熱彈性的由來，是熱彈性的由來， 具有這種行為的馬氏體具有這種行為的馬氏體為為熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體，相變?yōu)闊嵯嘧優(yōu)闊?彈性馬氏體相變彈性馬氏體相變。 cualni合金加熱過程中熱彈性馬氏體相變合金加熱過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體縮小馬氏體縮小) 20 形狀記憶效應(yīng)原理形狀記憶效應(yīng)原理 形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)形

15、狀記憶合金在一定范圍內(nèi) 發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到 某一溫度后能夠恢復(fù)變形，某一溫度后能夠恢復(fù)變形， 實質(zhì)是熱彈性馬氏體相變實質(zhì)是熱彈性馬氏體相變。 馬氏體在外力下變形成某一馬氏體在外力下變形成某一 特定形狀，加熱時已發(fā)生形特定形狀，加熱時已發(fā)生形 變的馬氏體會回到原來奧氏變的馬氏體會回到原來奧氏 體狀態(tài)，這就是宏觀形狀記體狀態(tài)，這就是宏觀形狀記 憶現(xiàn)象，如右圖所示。憶現(xiàn)象，如右圖所示。 形狀記憶效應(yīng)過形狀記憶效應(yīng)過 程的示意圖程的示意圖 21 形狀恢復(fù)完全可逆形狀恢復(fù)完全可逆需具備以下條件：需具備以下條件： 馬氏體相變是馬氏體相變是熱彈性熱彈性的；的； 母相和馬氏體呈現(xiàn)

16、母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點陣結(jié)構(gòu)有序的點陣結(jié)構(gòu)； 馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或亞結(jié)構(gòu)為孿晶或 層錯層錯； 馬氏體相變在晶體學(xué)上是馬氏體相變在晶體學(xué)上是可逆的可逆的。 22 出現(xiàn)出現(xiàn)熱彈馬氏體相變熱彈馬氏體相變的條件：的條件： 母相與馬氏體的比容差小；母相與馬氏體的比容差小； 母相的彈性極限高；母相的彈性極限高； 母相原子排列規(guī)律性強；母相原子排列規(guī)律性強； 熱彈性馬氏體相變確保熱彈性馬氏體相變確保不破壞母相與新相之間的共不破壞母相與新相之間的共 格聯(lián)系，新相在加熱條件下容易向母相轉(zhuǎn)變。格聯(lián)系，新相在加熱條件下容易向母相轉(zhuǎn)變。 23 有序點陣結(jié)構(gòu)有序點陣結(jié)

17、構(gòu) 相變時母相的晶體位向自動得到保存，兩相間相變時母相的晶體位向自動得到保存，兩相間 的點陣對應(yīng)關(guān)系單一，相變時點陣應(yīng)變非常小的點陣對應(yīng)關(guān)系單一，相變時點陣應(yīng)變非常小 ，逆相變時必然選取原位向的母相；逆相變時必然選取原位向的母相； 有序化材料具有較高的彈性極限有序化材料具有較高的彈性極限，熱彈性馬氏，熱彈性馬氏 體相變產(chǎn)生的小尺度畸變不會超過材料的彈性體相變產(chǎn)生的小尺度畸變不會超過材料的彈性 極限，逆相變中母相和馬氏體相的界面保持彈極限，逆相變中母相和馬氏體相的界面保持彈 性共格，性共格，為逆相變時重新構(gòu)成原母相的結(jié)構(gòu)提為逆相變時重新構(gòu)成原母相的結(jié)構(gòu)提 供有利條件供有利條件。 24 馬氏體內(nèi)的

18、馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)是孿晶或?qū)渝e亞結(jié)構(gòu)是孿晶或?qū)渝e 外力作用下，通過孿晶移動，某一取向的馬氏體長大，外力作用下，通過孿晶移動，某一取向的馬氏體長大， 其它不利取向的馬氏體縮小其它不利取向的馬氏體縮小( (擇優(yōu)取向馬氏體擇優(yōu)取向馬氏體) )，保證馬保證馬 氏體變形時不會出現(xiàn)太多母相的等效晶體位向氏體變形時不會出現(xiàn)太多母相的等效晶體位向。 逆相變時，馬氏體中只形成幾個甚至一個母相的等效晶逆相變時，馬氏體中只形成幾個甚至一個母相的等效晶 體位向，體位向，只有特定取向的母相晶核才能不斷長大，馬氏只有特定取向的母相晶核才能不斷長大，馬氏 體恢復(fù)成原母相晶體，宏觀變形也得到恢復(fù)。體恢復(fù)成原母相晶體，宏觀變形也

19、得到恢復(fù)。 晶體學(xué)上相變可逆性晶體學(xué)上相變可逆性 通過逆相變，不僅在通過逆相變，不僅在晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)上，而且在上，而且在晶體位向晶體位向上都上都 恢復(fù)到相變前的母相狀態(tài)。恢復(fù)到相變前的母相狀態(tài)。 晶體學(xué)上的相變可逆性晶體學(xué)上的相變可逆性保證逆相變后形成有序性很高的保證逆相變后形成有序性很高的 原母相晶體，宏觀變形也完全恢復(fù)。原母相晶體，宏觀變形也完全恢復(fù)。 25 隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全發(fā)現(xiàn)不完全 具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng)具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。 溫度場溫度場可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，磁場、

20、應(yīng)力場磁場、應(yīng)力場等等 也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。 傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金磁誘導(dǎo)形狀記憶合金磁誘導(dǎo)形狀記憶合金 magnetic field 26 傳統(tǒng)形狀記憶合金具有較大的可逆恢復(fù)應(yīng)變和大的恢傳統(tǒng)形狀記憶合金具有較大的可逆恢復(fù)應(yīng)變和大的恢 復(fù)力，但復(fù)力，但必須通過改變合金的溫度來獲得應(yīng)變必須通過改變合金的溫度來獲得應(yīng)變，響應(yīng)響應(yīng) 速度慢，響應(yīng)頻率低速度慢，響應(yīng)頻率低(約為約為1hz左右左右)。 磁性形狀記憶合金的優(yōu)勢就在于它兼具鐵磁性和熱彈磁性形狀記憶合金的優(yōu)勢就在于它兼具鐵磁性和熱彈 性馬氏體相變，并且結(jié)合了性馬氏體相

21、變，并且結(jié)合了形狀記憶合金應(yīng)變大形狀記憶合金應(yīng)變大和和磁磁 致伸縮材料響應(yīng)快致伸縮材料響應(yīng)快的優(yōu)點。的優(yōu)點。 27 利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使促使 有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的變體有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的變體 (表現(xiàn)為孿晶界的移動表現(xiàn)為孿晶界的移動)，從而產(chǎn)生宏觀變形；，從而產(chǎn)生宏觀變形； 磁場強度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位置。磁場強度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位置。 磁致形狀記憶效應(yīng)只存在磁致形狀記憶效應(yīng)只存在具有熱彈性馬氏體相變的具有熱彈性馬氏體相變的 磁性合金中磁性合金中，典型磁致形狀記憶合金

22、有，典型磁致形狀記憶合金有nimnga、 nifega、fe基和基和co基合金等。基合金等。 目前，已在目前，已在ni48.8mn29.7ga21.5單晶單晶中得到約中得到約10%的可恢復(fù)的可恢復(fù) 磁感生應(yīng)變磁感生應(yīng)變。 28 相變偽彈性和超彈性相變偽彈性和超彈性 外加應(yīng)力也可引起馬氏體消長，這樣形成的馬氏外加應(yīng)力也可引起馬氏體消長，這樣形成的馬氏 體叫體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體應(yīng)力誘發(fā)馬氏體(sim)。 af溫度以上的馬氏體只在應(yīng)力下穩(wěn)定。溫度以上的馬氏體只在應(yīng)力下穩(wěn)定。 隨應(yīng)力增加或減小，馬氏體也相應(yīng)長大或縮小；隨應(yīng)力增加或減小，馬氏體也相應(yīng)長大或縮??； 應(yīng)力除去后，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體當(dāng)即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定

23、母相，應(yīng)力除去后，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體當(dāng)即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定母相， 相變引起的變形消失。相變引起的變形消失。 這種不通過加熱即恢復(fù)到原先形狀的相變，看起這種不通過加熱即恢復(fù)到原先形狀的相變，看起 來像彈性變形，但其來像彈性變形，但其應(yīng)力應(yīng)變曲線是非線性的應(yīng)力應(yīng)變曲線是非線性的， 稱為稱為相變偽彈性相變偽彈性，應(yīng)變完全恢復(fù)時稱為，應(yīng)變完全恢復(fù)時稱為超彈性超彈性。 29 偽彈性僅與應(yīng)力誘發(fā)相變和偽彈性僅與應(yīng)力誘發(fā)相變和 熱彈性相變有關(guān)。熱彈性相變有關(guān)。 ab段：段：奧氏體奧氏體相的彈性變形；相的彈性變形； bc段：段：b點為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體點為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體 的最小應(yīng)力，的最小應(yīng)力，c點相變結(jié)束；點相變結(jié)束；

24、奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變使應(yīng)變奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變使應(yīng)變 增加增加，其斜率遠小于，其斜率遠小于ab段，說段，說 明相變?nèi)菀走M行，明相變?nèi)菀走M行， cd段：相變結(jié)束后，應(yīng)力作用段：相變結(jié)束后，應(yīng)力作用 下下馬氏體馬氏體發(fā)生彈性變形。發(fā)生彈性變形。 偽彈性應(yīng)力應(yīng)變示意圖偽彈性應(yīng)力應(yīng)變示意圖 30 在在d點之前應(yīng)力被取消，例如在點點之前應(yīng)力被取消，例如在點c，應(yīng)變通過，應(yīng)變通過 幾步可恢復(fù)：幾步可恢復(fù)： cf段：段：馬氏體馬氏體的彈性恢復(fù)；的彈性恢復(fù)； fg段：段：馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變后引起的應(yīng)變恢復(fù)馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變后引起的應(yīng)變恢復(fù)，f點點 是卸載中馬氏體能存在的最大應(yīng)力，在該點開始發(fā)生是卸載中馬氏體能

25、存在的最大應(yīng)力，在該點開始發(fā)生 馬氏體向奧氏體的逆相變，隨后馬氏體量不斷減少直馬氏體向奧氏體的逆相變，隨后馬氏體量不斷減少直 到奧氏體完全恢復(fù)到奧氏體完全恢復(fù)(g點點)， gh段：段：奧氏體奧氏體的彈性恢復(fù)。的彈性恢復(fù)。 31 就形狀記憶而言，試樣在就形狀記憶而言，試樣在as點下受到的應(yīng)變一且點下受到的應(yīng)變一且加加 熱到熱到af點以上點以上即可消失；就相變偽彈性而言，試樣即可消失；就相變偽彈性而言，試樣 在在af點以上受到的應(yīng)變一旦點以上受到的應(yīng)變一旦卸載卸載即可消失。即可消失。 兩種形狀恢復(fù)的起因都是逆相變，本質(zhì)上兩者是同兩種形狀恢復(fù)的起因都是逆相變，本質(zhì)上兩者是同 一現(xiàn)象，只不過一現(xiàn)象，只

26、不過誘發(fā)逆相變的方法不同誘發(fā)逆相變的方法不同： 在在ms以下溫度對合金進行變形，只產(chǎn)生形狀記憶；以下溫度對合金進行變形，只產(chǎn)生形狀記憶； 在在af以上溫度對合金施加應(yīng)力，只出現(xiàn)偽彈性。以上溫度對合金施加應(yīng)力，只出現(xiàn)偽彈性。 形狀記憶效應(yīng)與偽彈性形狀記憶效應(yīng)與偽彈性 產(chǎn)生條件示意圖產(chǎn)生條件示意圖 32 形狀記憶合金的分類形狀記憶合金的分類 33 合金成分合金成分 呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金，其基本合金系就有呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金，其基本合金系就有 10種以上，如果把相互組合的合金或者添加適種以上，如果把相互組合的合金或者添加適 當(dāng)元素的合金都算在內(nèi)，則有當(dāng)元素的合金都算在內(nèi)，則有100種以上種以上。

27、 得到實際應(yīng)用的只有得到實際應(yīng)用的只有ti基合金、基合金、cu基合金以及基合金以及 fe基合金基合金。 其余合金則因為有些化學(xué)成分不是常用元素而其余合金則因為有些化學(xué)成分不是常用元素而 導(dǎo)致價格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使導(dǎo)致價格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使 用，不適于工業(yè)生產(chǎn)。用，不適于工業(yè)生產(chǎn)。 34 tini合金合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶 性能最好的合金材料。性能最好的合金材料。 tini合金合金強度高、塑性大、耐蝕性好、穩(wěn)定性好，具有強度高、塑性大、耐蝕性好、穩(wěn)定性好，具有 優(yōu)異的生物相容性優(yōu)異的生物相容性， 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是其

28、它形狀記憶合金不能替代的在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是其它形狀記憶合金不能替代的 形狀記憶合金的形狀記憶合金的經(jīng)濟性經(jīng)濟性是一個重要因素。是一個重要因素。 cu基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學(xué)性能等都比基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學(xué)性能等都比tini 合金差，合金差，但價格僅為但價格僅為tini合金的合金的l/10，在性能要求不高、在性能要求不高、 反復(fù)使用次數(shù)少，特別是要降低成本的情況下反復(fù)使用次數(shù)少，特別是要降低成本的情況下使用；使用； fe基合金基合金價格低，加工性能好，力學(xué)強度高，價格低，加工性能好，力學(xué)強度高，在應(yīng)用方在應(yīng)用方 面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其形狀記憶效應(yīng)不是

29、很好形狀記憶效應(yīng)不是很好。 35 tini合金與合金與cuznal合金性能對比合金性能對比 合金類型合金類型tini合金合金cuznal合金合金 恢復(fù)應(yīng)變恢復(fù)應(yīng)變最大最大8%最大最大4% 恢復(fù)應(yīng)力恢復(fù)應(yīng)力最大最大400mpa最大最大200mpa 循環(huán)壽命循環(huán)壽命 105(=0.02) 107(=0.005) 102(=0.02) 103(=0.005) 耐蝕性耐蝕性良好良好不良，有應(yīng)力腐蝕破壞不良，有應(yīng)力腐蝕破壞 加工性加工性不良不良不太好不太好 記憶處理記憶處理較易較易相當(dāng)難相當(dāng)難 36 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶合金的形狀記形狀記憶合金的形狀記 憶效應(yīng)按形狀恢復(fù)情況憶效應(yīng)按形狀恢復(fù)

30、情況 可以分為三類：可以分為三類： 單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng) 雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng) 全程記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng) 形狀記憶效應(yīng)的三種形式形狀記憶效應(yīng)的三種形式 (a)單程單程(b)雙程雙程(c)全程全程 冷卻冷卻 37 單程記憶效應(yīng)單程記憶效應(yīng) 將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻，使之發(fā)將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻，使之發(fā) 生馬氏體相變，然后對馬氏體進行任意變形；生馬氏體相變，然后對馬氏體進行任意變形； 當(dāng)溫度升至當(dāng)溫度升至af點，點，馬氏體完全消失，馬氏體完全消失，材料恢復(fù)母相形狀材料恢復(fù)母相形狀 ，重新冷卻時不能恢復(fù)低溫相時的形狀，重新冷卻時不能恢復(fù)低溫相

31、時的形狀。 雙程記憶效應(yīng)雙程記憶效應(yīng) 加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，通過通過 溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為 雙程記憶效應(yīng)，雙程記憶效應(yīng)，又稱可逆記憶效應(yīng)。又稱可逆記憶效應(yīng)。 全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng) 加熱時恢復(fù)高溫形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾醇訜釙r恢復(fù)高溫形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾?的高溫相的現(xiàn)象。的高溫相的現(xiàn)象。 38 （a）馬氏體狀態(tài)下未變形）馬氏體狀態(tài)下未變形 （b）馬氏體狀態(tài)下已變形）馬氏體狀態(tài)下已變形 （c）放入熱水中，高溫下恢復(fù)奧氏體狀

32、態(tài)，形狀完全恢復(fù)）放入熱水中，高溫下恢復(fù)奧氏體狀態(tài)，形狀完全恢復(fù) 單程單程tini記憶合金彈簧的動作變化情況記憶合金彈簧的動作變化情況 39 沒放入熱水前沒放入熱水前放入熱水后放入熱水后冷卻至室溫后冷卻至室溫后再次放入熱水后再次放入熱水后 雙程雙程cuznal記憶合金花的動作變化情況記憶合金花的動作變化情況 40 把受過強迫時效的四條薄帶在其中心位置上以把受過強迫時效的四條薄帶在其中心位置上以45度度 的夾角捆扎在一起，在約的夾角捆扎在一起，在約100開水中開水中(加熱加熱)呈現(xiàn)具呈現(xiàn)具 有凸透鏡曲率的近圓形，如有凸透鏡曲率的近圓形，如a所示；所示； 從開水中緩慢提起來時自行變化成從開水中緩慢

33、提起來時自行變化成b形狀；形狀； 完全提上來且于完全提上來且于室溫室溫下時，變化成近直線形狀下時，變化成近直線形狀c； ac之間的自發(fā)形變是由奧氏體向馬氏體相變引起之間的自發(fā)形變是由奧氏體向馬氏體相變引起。 tini合金的全程記憶效應(yīng)（合金的全程記憶效應(yīng)（100-室溫）室溫） 41 浸泡在浸泡在冰水冰水中時，下部變化成中時，下部變化成d形狀；形狀； 在干冰在干冰-酒精液中冷卻到約酒精液中冷卻到約-40時時(冷卻，奧氏體全冷卻，奧氏體全 部轉(zhuǎn)變成馬氏體部轉(zhuǎn)變成馬氏體)變化成變化成e形狀，形狀，同同a相比完全是其相相比完全是其相 反的形狀反的形狀； 再次返回到再次返回到開水開水(重新加熱，馬氏體全

34、部轉(zhuǎn)變成奧氏重新加熱，馬氏體全部轉(zhuǎn)變成奧氏 體體)中時，立刻變化成中時，立刻變化成f形狀，其形狀與形狀，其形狀與a完全相同。完全相同。 tini合金的全程記憶效應(yīng)（低溫合金的全程記憶效應(yīng)（低溫-100） 42 形狀記憶合金的制備形狀記憶合金的制備 43 形狀記憶處理形狀記憶處理 形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后 進行熱軋、模鍛、擠壓，然后進行冷加工。進行熱軋、模鍛、擠壓，然后進行冷加工。 為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給 定形狀。定形狀。 形狀記憶處理形狀記憶處理( (一定的熱處理一定的熱處

35、理) )是實現(xiàn)合金形狀記是實現(xiàn)合金形狀記 憶功能方面不可或缺，至關(guān)重要的一環(huán)。憶功能方面不可或缺，至關(guān)重要的一環(huán)。 44 tini合金單程形狀記憶處理合金單程形狀記憶處理 單程記憶處理方法有三種單程記憶處理方法有三種 中溫處理中溫處理 低溫處理低溫處理 時效處理時效處理 中溫處理中溫處理是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的 合金成形成給定形狀，在合金成形成給定形狀，在400-500溫度下保溫溫度下保溫兒兒 分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法。分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法。 此方法由于此方法由于工藝簡單而被廣泛采用工藝簡單而被廣泛采用。 45 低溫處理低溫處理是

36、在高于是在高于800的溫度下保溫后進行完全的溫度下保溫后進行完全 退火，然后在室溫下制成特定形狀，退火，然后在室溫下制成特定形狀，在在200-300 的低溫下保溫一定時間的低溫下保溫一定時間，以記憶其形狀的方法。，以記憶其形狀的方法。 由于在完全退火的由于在完全退火的軟狀態(tài)軟狀態(tài)下進行加工，有利于合金下進行加工，有利于合金記住記住 復(fù)雜形狀或曲率很小的形狀復(fù)雜形狀或曲率很小的形狀。 時效處理時效處理是一種在是一種在800-1000溫度下固溶處理后進溫度下固溶處理后進 行淬火，然后在行淬火，然后在400-500的溫度下進行幾小時時的溫度下進行幾小時時 效處理的方法。效處理的方法。 只對只對ni含

37、量高于含量高于50.5at的富的富ni合金有效。合金有效。 46 tini合金雙程記憶處理合金雙程記憶處理 合金具有雙程記憶效應(yīng)是因為合金具有雙程記憶效應(yīng)是因為合金中存在方向性合金中存在方向性 的應(yīng)力場或晶體缺陷的應(yīng)力場或晶體缺陷，相變時馬氏體容易在這種，相變時馬氏體容易在這種 缺陷處形核，同時發(fā)生缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長。 通過通過記憶訓(xùn)練記憶訓(xùn)練(強制變形強制變形)獲得雙程記憶能力：獲得雙程記憶能力： 先獲得單程記憶效應(yīng)先獲得單程記憶效應(yīng)，記憶高溫相的形狀；，記憶高溫相的形狀； 隨后在隨后在低于低于ms溫度溫度，根據(jù)需要形狀進行，根據(jù)需要形狀進行一定限度的可一定限度的可 恢復(fù)變

38、形恢復(fù)變形； 加熱到加熱到as以上溫度，試樣恢復(fù)到高溫態(tài)形狀后，以上溫度，試樣恢復(fù)到高溫態(tài)形狀后，又降低又降低 到到ms以下，再變形試件，使之成為低溫所需形狀以下，再變形試件，使之成為低溫所需形狀； 如此如此反復(fù)多次反復(fù)多次后，就可獲得雙向記憶效應(yīng)。后，就可獲得雙向記憶效應(yīng)。 47 tini合金全程記憶處理合金全程記憶處理 全程記憶效應(yīng)的出現(xiàn)是由于與基體共格的全程記憶效應(yīng)的出現(xiàn)是由于與基體共格的ti11ni14 析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致，析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致， 應(yīng)力場控制了馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆應(yīng)力場控制了馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆 相變按固定路

39、徑進行相變按固定路徑進行。 全程記憶處理的關(guān)鍵是全程記憶處理的關(guān)鍵是限制性時效限制性時效，必須根據(jù)需，必須根據(jù)需 要選擇合適的約束時效工藝。要選擇合適的約束時效工藝。 48 形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金使用中的問題 形狀記憶合金形狀記憶合金并不是無論承受并不是無論承受 怎樣的變形只要受熱就能恢復(fù)怎樣的變形只要受熱就能恢復(fù) 原狀原狀，有時可殘留永久變形。，有時可殘留永久變形。 為保持良好形狀記憶特性，形為保持良好形狀記憶特性，形 變量不能超過一定值。變量不能超過一定值。 循環(huán)使用次數(shù)少時，循環(huán)使用次數(shù)少時，tini合金約合金約 為為6，cuznal合金約為合金約為2； 循環(huán)使用次數(shù)多時，

40、分別低于循環(huán)使用次數(shù)多時，分別低于2 和和0.5。 tini形狀記憶合金的形狀記憶合金的 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 49 形狀記憶合金要避免過熱形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約，即在形狀記憶合金受約 束狀態(tài)下，不要達到比束狀態(tài)下，不要達到比af點高很多的溫度。點高很多的溫度。 線圈過熱，相變引起的形狀恢復(fù)應(yīng)力超過絲材本身的屈線圈過熱，相變引起的形狀恢復(fù)應(yīng)力超過絲材本身的屈 服應(yīng)力，服應(yīng)力，合金的形狀記憶特性變壞。合金的形狀記憶特性變壞。 合金長時間置于高溫，產(chǎn)生不能完全記住該溫度下形狀合金長時間置于高溫，產(chǎn)生不能完全記住該溫度下形狀 的現(xiàn)象，即的現(xiàn)象，即記憶力減退記憶力減退。 當(dāng)當(dāng)

41、tini合金和合金和cuznal合金長時間分別置于合金長時間分別置于250和和90 以上的溫度時，不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響。以上的溫度時，不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響。 50 形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 51 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 宇航天線宇航天線 niti形狀記憶合金折疊發(fā)射形狀記憶合金折疊發(fā)射 自動張開的宇航天線原理圖自動張開的宇航天線原理圖 52 宇航天線可由宇航天線可由niti合金絲制成。合金絲制成。 將將tini合金天線冷至低溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；合金天線冷至低溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體； 將將tini合金板或棒合金板或棒變形加工變形加工成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收成竹筍狀或

42、旋渦狀發(fā)條，收 縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)；縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)； 衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線彈出，在衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線彈出，在太陽照射太陽照射下，溫度下，溫度 升高到升高到as以上，團狀天線自動張開，恢復(fù)到原來形狀；以上，團狀天線自動張開，恢復(fù)到原來形狀； 溫度升高到溫度升高到af溫度以上溫度以上時，時，完全恢復(fù)到原來的形狀完全恢復(fù)到原來的形狀，天，天 線向宇宙空間撐開。線向宇宙空間撐開。 美國宇航局根據(jù)達一想法研制了安放在月球表面上美國宇航局根據(jù)達一想法研制了安放在月球表面上 的拋物面天線組件的拋物面天線組件。 53 連接件和緊固件連接件和緊固件 形狀記憶合金管接頭用相變點形狀記憶合金管接頭用相變點

43、 約約-150的的tinife合金制備。合金制備。 合金內(nèi)徑加工成比被接管徑約小合金內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4- 5， 把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中，在把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中，在 低溫狀態(tài)下使內(nèi)徑擴大低溫狀態(tài)下使內(nèi)徑擴大約約7-8%， 擴徑后管接頭用保溫材料保持低擴徑后管接頭用保溫材料保持低 溫，被接管從管接頭兩側(cè)插入，溫，被接管從管接頭兩側(cè)插入， 去掉保溫材料，去掉保溫材料，管接頭溫度上升管接頭溫度上升 到室溫，內(nèi)徑恢復(fù)到擴徑前狀態(tài)到室溫，內(nèi)徑恢復(fù)到擴徑前狀態(tài) ，牢牢箍緊被接管，牢牢箍緊被接管。 形狀記憶管接頭形狀記憶管接頭 54 形狀記憶合金管接頭具有高度的可靠性，不需熔形狀記憶合金管接頭具

44、有高度的可靠性，不需熔 焊的高溫高熱，不會損害周圍材料，在低溫下易焊的高溫高熱，不會損害周圍材料，在低溫下易 拆卸，便于檢修檢查。拆卸，便于檢修檢查。 這種管接頭這種管接頭在在f-14戰(zhàn)斗機上使用了戰(zhàn)斗機上使用了10萬個以上萬個以上，從未出，從未出 現(xiàn)過漏油等事故?，F(xiàn)過漏油等事故。 這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可大量應(yīng)用。這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可大量應(yīng)用。 150mm大口徑管接頭在海底輸油管道及其修補工程上大口徑管接頭在海底輸油管道及其修補工程上 得到應(yīng)用。得到應(yīng)用。 f14戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機戰(zhàn)略核潛艇戰(zhàn)略核潛艇 55 密閉中空結(jié)構(gòu)件中很難進行緊固操作，形狀記憶緊密閉中空結(jié)構(gòu)件中很難進

45、行緊固操作，形狀記憶緊 固鉚釘依靠形狀恢復(fù)可進行這種操作。固鉚釘依靠形狀恢復(fù)可進行這種操作。 af點低于室溫點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，尾部形狀記憶處的合金用來制造緊固鉚釘，尾部形狀記憶處 理成開口形狀；理成開口形狀； 進行緊固操作前，把緊固鉚釘進行緊固操作前，把緊固鉚釘浸泡在干冰或液態(tài)空氣中浸泡在干冰或液態(tài)空氣中進進 行充分冷卻，行充分冷卻，然后把尾部拉直然后把尾部拉直； 插入被緊固孔；插入被緊固孔； 溫度回升后產(chǎn)生形狀恢復(fù)，鉚釘尾部叉開把物體固緊。溫度回升后產(chǎn)生形狀恢復(fù)，鉚釘尾部叉開把物體固緊。 (a)開口開口(b)拉直拉直 (c)插入插入(d)加熱加熱 形狀記憶緊固螺釘形狀記憶緊固

46、螺釘 56 智能機器人智能機器人 形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控 制器等應(yīng)用在智能機器人中。制器等應(yīng)用在智能機器人中。 形狀記憶驅(qū)動器通過適當(dāng)加熱和形狀記憶驅(qū)動器通過適當(dāng)加熱和 控制，可完成控制，可完成往返或旋轉(zhuǎn)運動往返或旋轉(zhuǎn)運動， 兼之具有兼之具有感溫功能感溫功能。 形狀記憶控制機構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控形狀記憶控制機構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控 制機構(gòu)相比，一個形狀記憶元件制機構(gòu)相比，一個形狀記憶元件 就可起到傳統(tǒng)機構(gòu)中就可起到傳統(tǒng)機構(gòu)中傳感、驅(qū)動傳感、驅(qū)動 和傳遞和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。三系統(tǒng)功能的作用。 智能控制器智能控制器 57 下圖為具有相當(dāng)于肩、肘、腕、指等的下圖為具有相當(dāng)于肩

47、、肘、腕、指等的5維自由度的維自由度的 微型機器人試制品，形狀記憶合金可應(yīng)用于其中。微型機器人試制品，形狀記憶合金可應(yīng)用于其中。 靠形狀記憶合金動作的微靠形狀記憶合金動作的微 型機器人結(jié)構(gòu)圖型機器人結(jié)構(gòu)圖 58 手指和手腕是靠手指和手腕是靠tini合金線圈的伸縮，肘部和肩是合金線圈的伸縮，肘部和肩是 靠直線狀靠直線狀tini合金絲的伸縮，分別實現(xiàn)開閉和屈曲合金絲的伸縮，分別實現(xiàn)開閉和屈曲 動作。動作。 每個元件通過每個元件通過控制電流控制電流來調(diào)節(jié)其位置和動作速度。來調(diào)節(jié)其位置和動作速度。 這種機器人結(jié)構(gòu)小巧，動作柔軟自如這種機器人結(jié)構(gòu)小巧，動作柔軟自如(可實現(xiàn)抓舉可實現(xiàn)抓舉 盛水紙杯之類的柔

48、軟物體盛水紙杯之類的柔軟物體)，這是因為通過元件控，這是因為通過元件控 制量制量(電流電流)控制的不是位置，而是控制的不是位置，而是形狀恢復(fù)力形狀恢復(fù)力，作，作 用接近人體肌肉。用接近人體肌肉。 59 低于低于mf點溫度下，把重點溫度下，把重m的重物掛的重物掛 在形狀記憶線圈上，絲材伸長到屈服在形狀記憶線圈上，絲材伸長到屈服 力和重力達到平衡；力和重力達到平衡； 把線圈加熱到把線圈加熱到af點以上，溫度上升使點以上，溫度上升使 合金產(chǎn)生形狀恢復(fù)，形狀恢復(fù)力大于合金產(chǎn)生形狀恢復(fù)，形狀恢復(fù)力大于 重力，絲材在彈性應(yīng)變的狀態(tài)下收縮重力，絲材在彈性應(yīng)變的狀態(tài)下收縮 l，提起重物做，提起重物做mgl的功

49、；的功； 重物提上去后降低溫度，絲材伸長，重物提上去后降低溫度，絲材伸長， 接上重物，再升高溫度把重物提上去接上重物，再升高溫度把重物提上去 ，實現(xiàn)熱機循環(huán)。，實現(xiàn)熱機循環(huán)。 形狀記憶熱機原理形狀記憶熱機原理 能量轉(zhuǎn)換熱機能量轉(zhuǎn)換熱機 60 渦輪型熱機中，渦輪型熱機中，tini合金線圈通合金線圈通 過空轉(zhuǎn)輪在溫水槽、冷水槽和差過空轉(zhuǎn)輪在溫水槽、冷水槽和差 動滑輪之間穿引連接，形成連續(xù)動滑輪之間穿引連接，形成連續(xù) 環(huán)路。環(huán)路。 溫水側(cè)線圈產(chǎn)生縮短收縮，冷水溫水側(cè)線圈產(chǎn)生縮短收縮，冷水 側(cè)線圈產(chǎn)生伸長松弛，使差動滑側(cè)線圈產(chǎn)生伸長松弛，使差動滑 輪受到很大的轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動輪受到很大的轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

50、 兩者對滑輪的轉(zhuǎn)矩差成為熱機輸兩者對滑輪的轉(zhuǎn)矩差成為熱機輸 出功率出功率. 采用直徑為采用直徑為0.5mm的的tini合金線合金線 圈，轉(zhuǎn)速可達圈，轉(zhuǎn)速可達750r/min，輸出功，輸出功 率為率為0.4-0.5w。 形狀記憶合金制形狀記憶合金制 備的渦輪形熱機備的渦輪形熱機 61 保險器和繼電器保險器和繼電器 用形狀記憶合金制造的溫度保險器不同于熔斷用形狀記憶合金制造的溫度保險器不同于熔斷 保險絲，可產(chǎn)生很強的力拉斷接點，消弧效應(yīng)保險絲，可產(chǎn)生很強的力拉斷接點，消弧效應(yīng) 明顯，適合于作大功率、高電壓用保險器。明顯，適合于作大功率、高電壓用保險器。 形狀記憶合金溫度保險器形狀記憶合金溫度保險器

51、 62 形狀記憶合金可制造電接觸器形狀記憶合金可制造電接觸器 的接觸棒。的接觸棒。 當(dāng)冷卻劑噴到接觸棒上時，作當(dāng)冷卻劑噴到接觸棒上時，作 開關(guān)的記憶合金與電路觸點無開關(guān)的記憶合金與電路觸點無 接觸；將棒加熱到室溫時，合接觸；將棒加熱到室溫時，合 金棒因形狀記憶改變形狀，產(chǎn)金棒因形狀記憶改變形狀，產(chǎn) 生與電路觸點接觸。生與電路觸點接觸。 這種接觸器可通過控制溫度使這種接觸器可通過控制溫度使 其自動斷路或通路，同時還可其自動斷路或通路，同時還可 遠距離操作，遠距離操作，廣泛用于接觸器廣泛用于接觸器 很小或人員難以接近的場合很小或人員難以接近的場合。 形狀記憶電接觸器形狀記憶電接觸器 63 醫(yī)學(xué)應(yīng)用

52、醫(yī)學(xué)應(yīng)用 金屬埋植入人體內(nèi)時必須考慮其生物相容性。金屬埋植入人體內(nèi)時必須考慮其生物相容性。 如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它 會造成周圍的組織和細胞發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥充會造成周圍的組織和細胞發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥充 血循環(huán)障礙，導(dǎo)致人體組織壞死；血循環(huán)障礙，導(dǎo)致人體組織壞死； 如果埋植體是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細胞如果埋植體是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細胞 分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這種分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這種 纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織 中能夠穩(wěn)定存在。

53、中能夠穩(wěn)定存在。 tini合金的生物相容性合金的生物相容性 64 覆膜形狀覆膜形狀 覆膜厚度和形狀隨埋植時間不同出現(xiàn)一定差異。覆膜厚度和形狀隨埋植時間不同出現(xiàn)一定差異。 埋植埋植12月后，覆膜厚度十分不均勻，許多地方形月后，覆膜厚度十分不均勻，許多地方形 成滑液囊；成滑液囊； 埋植埋植17月后，覆膜變成薄而光滑致密的纖維結(jié)締月后，覆膜變成薄而光滑致密的纖維結(jié)締 組織，只在接骨板螺釘部存在少量不均勻覆膜。組織，只在接骨板螺釘部存在少量不均勻覆膜。 niti合金接骨板合金接骨板 65 覆膜組織：覆膜組織： 埋植埋植3個月后，個月后，tini合金接骨板上形成的覆膜合金接骨板上形成的覆膜 主要由主要由

54、細胞質(zhì)和骨膠原纖維組織細胞質(zhì)和骨膠原纖維組織構(gòu)成；構(gòu)成； 埋植埋植6個月后，個月后，覆膜中的細胞質(zhì)減少，主要由覆膜中的細胞質(zhì)減少，主要由 致密的骨膠原纖維組織構(gòu)成，致密的骨膠原纖維組織構(gòu)成，形成的覆膜厚度形成的覆膜厚度 比比3個月的??；個月的??； 埋植埋植17個月后，細胞質(zhì)減少到在由骨膠原纖維個月后，細胞質(zhì)減少到在由骨膠原纖維 構(gòu)成的構(gòu)成的致密結(jié)締組織致密結(jié)締組織中僅存一點的程度。中僅存一點的程度。 66 埋植周圍的骨骼和肌肉：埋植周圍的骨骼和肌肉： 沒觀察到骨骼形狀變化，在埋植周圍和接觸部位沒觀察到骨骼形狀變化，在埋植周圍和接觸部位 的骨胳上也未發(fā)現(xiàn)成骨細胞變化，剝離接骨板后的骨胳上也未發(fā)現(xiàn)

55、成骨細胞變化，剝離接骨板后 ，在剝離部位看到成骨細胞和新生骨膜的生成在剝離部位看到成骨細胞和新生骨膜的生成。 埋植后沒有產(chǎn)生結(jié)締組織變性或脂肪變性，埋植埋植后沒有產(chǎn)生結(jié)締組織變性或脂肪變性，埋植 17個月后在螺釘頭部所接觸的部位上形成薄肌纖個月后在螺釘頭部所接觸的部位上形成薄肌纖 維束，最引人注目的是維束，最引人注目的是這些組織中具有許多富含這些組織中具有許多富含 脂肪的細胞和血管脂肪的細胞和血管。 67 耐蝕性耐蝕性： 在接骨板表面上沒發(fā)現(xiàn)任何均勻腐蝕和局部腐蝕在接骨板表面上沒發(fā)現(xiàn)任何均勻腐蝕和局部腐蝕 現(xiàn)象，表明對動物組織液的耐蝕性非常好?，F(xiàn)象，表明對動物組織液的耐蝕性非常好。 游離原子游

56、離原子： ni原子游離在骨內(nèi)的有效誤差微小，同樣也研究原子游離在骨內(nèi)的有效誤差微小，同樣也研究 了滲在各內(nèi)臟器官內(nèi)的游離原子狀態(tài)，其結(jié)果表了滲在各內(nèi)臟器官內(nèi)的游離原子狀態(tài)，其結(jié)果表 明，明，埋植期間內(nèi)積累起來的游離原子的有效誤差埋植期間內(nèi)積累起來的游離原子的有效誤差 等于零等于零。 這些結(jié)果表明，這些結(jié)果表明，tini合金的生物相容性很好，在醫(yī)合金的生物相容性很好，在醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。 68 牙科領(lǐng)域牙科領(lǐng)域 矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正。矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正。 牙齒矯形用金屬絲有牙齒矯形用金屬絲有不銹鋼絲和不銹鋼絲和cocr合

57、金絲合金絲，這，這 些材料具有彈性模量高、彈性應(yīng)變小，些材料具有彈性模量高、彈性應(yīng)變小，微小變形可微小變形可 獲得很大的矯正力，獲得很大的矯正力，對患者造成疼痛和不適，同時對患者造成疼痛和不適，同時 還容易產(chǎn)生塑性變形。還容易產(chǎn)生塑性變形。 利用利用niti形狀記憶合金的形狀記憶合金的超彈性超彈性使得在加載和卸載使得在加載和卸載 過程中過程中壓力恒定壓力恒定，即使應(yīng)變高達，即使應(yīng)變高達10也不會產(chǎn)生塑也不會產(chǎn)生塑 性變形。性變形。 牙齒矯形絲牙齒矯形絲 69 應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性， 即使應(yīng)變增大，矯正力卻增加很少即使應(yīng)變增大，矯

58、正力卻增加很少，永久應(yīng)變遠遠，永久應(yīng)變遠遠 小于不銹鋼絲，小于不銹鋼絲，在大變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他在大變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他 材料更加恒定的矯正力材料更加恒定的矯正力。 nitiniti合金牙齒矯形絲合金牙齒矯形絲 70 niti矯形絲不僅操作簡便，而且療效也好，可減輕矯形絲不僅操作簡便，而且療效也好，可減輕 患者的不適感?；颊叩牟贿m感。 1980年，中國就開始研制年，中國就開始研制niti合金矯形絲，北京有合金矯形絲，北京有 色金屬研究總院與北京口腔醫(yī)院合作，研制出色金屬研究總院與北京口腔醫(yī)院合作，研制出niti 合金牙弓絲，稱為合金牙弓絲，稱為“中國中國niti牙弓絲牙弓絲”。 n

59、iti牙齒矯形絲牙齒矯形絲 71 牙根種植體牙根種植體 對于缺少牙齒的病人來說，齒根修復(fù)是使其咀嚼功對于缺少牙齒的病人來說，齒根修復(fù)是使其咀嚼功 能恢復(fù)到最接近自然功能的一種方法。能恢復(fù)到最接近自然功能的一種方法。 日本用日本用niti形狀記憶合金制作了薄板結(jié)構(gòu)型牙根形狀記憶合金制作了薄板結(jié)構(gòu)型牙根。 使用時先在使用時先在低溫下將牙根端部加壓并使之并攏低溫下將牙根端部加壓并使之并攏，將其埋，將其埋 入顎骨，入顎骨， 在口腔中在口腔中不停灌漱熱水，不停灌漱熱水，使牙根溫度上升，此時牙根端使牙根溫度上升，此時牙根端 部分別向兩側(cè)張開，實現(xiàn)固定的結(jié)合力，部分別向兩側(cè)張開，實現(xiàn)固定的結(jié)合力， 避免咀嚼

60、時因牙根張開而脫落，并因其支持力強，可持避免咀嚼時因牙根張開而脫落，并因其支持力強，可持 續(xù)時間大大延長。續(xù)時間大大延長。 72 矯形外科矯形外科 采用采用形脊柱人造關(guān)節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)骨融合。形脊柱人造關(guān)節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)骨融合。 先在低溫下將先在低溫下將形器的弓形臂展平形器的弓形臂展平(圖圖a)，并置于頸椎椎體，并置于頸椎椎體 的中間部位的中間部位(圖圖b)，由于體溫的影響，由于體溫的影響，形器的臂部恢復(fù)原形器的臂部恢復(fù)原 狀，保持頸椎高度狀，保持頸椎高度(圖圖c)。 這種關(guān)節(jié)成形術(shù)提高病人功能恢復(fù)的程度，最大程度減小這種關(guān)節(jié)成形術(shù)提高病人功能恢復(fù)的程度，最大程度減小 病情的進