形狀記憶原理及應(yīng)用PPT課件

1、形狀記憶合金的記憶效應(yīng)機理及應(yīng)用 形狀記憶合金（shape memory alloy）作為一種新型功能材料已經(jīng)被廣泛使用。該合金可以認(rèn)為是始于1963年美國海軍武器試驗室（Naval Ordianace Laboratory）W.J.Buehler博士的研究小組對TiNi合金的研究。他們發(fā)現(xiàn)TiNi合金構(gòu)件因為溫度不同，敲擊時發(fā)出的聲音明顯不同，這說明該合金的聲阻尼性能和溫度相關(guān)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，等原子比TiNi合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)。后來TiNi合金作為商品進入市場，給等原子比的TiNi合金商品取名為NiTinol，后面的三個字母就是該研究室的3個英文單詞的第一個字母。目前形狀記憶合金已

2、廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、汽車工業(yè)、電子、醫(yī)療、機械、建筑、服裝、玩具等各個領(lǐng)域。 形狀記憶材料主要包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物，其記憶機制各不相同。本章將對與熱彈性馬氏體相變有關(guān)的形狀記憶效應(yīng)做基礎(chǔ)性介紹。 一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，金屬就發(fā)生塑性變形，應(yīng)力消除后就留下永久變形。但是有些金屬材料，在發(fā)生了較大變形后（遠超過彈性變形極限），經(jīng)加熱到某一溫度之上，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect）1。如圖7.1所示。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬通常是兩種以上金屬元素組成的合金，這種金屬合金叫做形

3、狀記憶合金（Shape Memory Alloy）。形狀記憶效果一般以形狀回復(fù)率來表示。設(shè)試樣在母相態(tài)時原始形狀長度為l0，馬氏體態(tài)時經(jīng)形變?yōu)閘1，經(jīng)高溫逆相變后為l2，則(%)=(l1-l2)/(l1-l0)100% 形狀記憶合金中的記憶效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的。通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相（P），低溫相叫做馬氏體相（M），從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變，或馬氏體相變，從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。 形狀記憶效應(yīng)的分類 形狀記憶效應(yīng)有三種形式。第一種稱為單向形狀記憶效應(yīng)，即將母相冷卻或加應(yīng)力，使之發(fā)生馬氏體相變，然后使馬氏體發(fā)生變形，改變其形狀，再重新加熱到馬氏體轉(zhuǎn)

4、變?yōu)槟赶嗟拈_始溫度As以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，溫度升至馬氏體向母相轉(zhuǎn)變終了溫度Af，馬氏體完全消失，材料完全恢復(fù)母相形狀。一般沒有特殊說明，形狀記憶效應(yīng)都是指這種單向形狀記憶效應(yīng)。 有些形狀記憶合金在加熱發(fā)生馬氏體逆轉(zhuǎn)變時，對母相有記憶效應(yīng)；當(dāng)從母相再次冷卻為馬氏體時，自覺回復(fù)原馬氏體的形狀，這種現(xiàn)象稱為雙向形狀記憶效應(yīng)，又稱可逆形狀記憶效應(yīng)。第三種情況是在Ti-Ni合金系中發(fā)現(xiàn)的，在冷熱循環(huán)過程中，形狀回復(fù)到與母相完全相反的形狀，稱為全方位形狀記憶效應(yīng)。 冷卻時，在無應(yīng)力條件下馬氏體在母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度Ms時開始形成。若施加應(yīng)力，馬氏體可以在Ms以上溫度形成，這種馬氏體稱為應(yīng)力誘發(fā)馬

5、氏體（Stress-Induced Martensite，簡稱SIM）。它的相變驅(qū)動力不是熱能而是機械能。 形狀記憶合金記憶效應(yīng)機理 大部分合金記憶材料是通過馬氏體相變而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。馬氏體相變具有可逆性，將馬氏體向高溫相（奧氏體）的轉(zhuǎn)變稱為逆轉(zhuǎn)變。形狀記憶是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時向高溫相進行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。形狀記憶機制示意圖（拉應(yīng)力狀態(tài)） 設(shè)Ms、Mf分別表示冷卻時奧氏體（又稱為母相）向馬氏轉(zhuǎn)變的開始溫度和終了溫度，、表示加熱時馬氏體向奧氏體逆轉(zhuǎn)變的開始溫度和終了溫度。具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變，且與溫度相差（稱為轉(zhuǎn)變的熱滯后）很小的合金，將其冷卻到點以下，馬氏體晶核隨著溫度下降逐漸

6、長大；溫度回升時，馬氏體相又反過來同步地隨溫度上升而縮小，馬氏體相的數(shù)量隨溫度的變化而發(fā)生變化，形狀記憶效應(yīng)是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時向高溫相進行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。 母相與馬氏體相變的晶體學(xué)可逆性與有序點陣具有密切的關(guān)系，晶體學(xué)可逆性通過有序點陣的形成自動得到保障，在母相馬氏體母相的轉(zhuǎn)變循環(huán)中，母相完全可以恢復(fù)原狀。這就是單程記憶效應(yīng)的原因。上圖中：a.將母相冷卻到點以下進行馬氏體相變，母相的一個晶粒內(nèi)會生成許多慣習(xí)面位向不同，但在晶體學(xué)上是等價的馬氏體，把這些慣習(xí)面位向不同的馬氏體叫做馬氏體變體(Variant),馬氏體變體一般有24種，由于相鄰變體可協(xié)調(diào)地生成，微觀上相變應(yīng)變相互

7、抵消，無宏觀變形；b.馬氏體受外力作用時（加載），變體界面移動，相互吞食，形成馬氏體單晶，出現(xiàn)宏觀變形； c.由于變形前后馬氏體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，當(dāng)去除外應(yīng)力時（卸載）無形狀改變；d.當(dāng)加熱高于Af點的溫度時，馬氏體通過逆轉(zhuǎn)變將恢復(fù)到母相形狀。注意形狀記憶合金在逆轉(zhuǎn)變過程中，單一位向的馬氏體不會生成多個位向不同的母相變體。上面已多次提到，相變中的晶體學(xué)可逆性是熱彈性馬氏體相變的重要特征，在熱彈性馬氏體相變中形成的24種不同位向的馬氏體變體和母相的某一位向的晶格存在著晶格對應(yīng)關(guān)系。正因為這個原因，在熱彈性馬氏體逆相變時能夠完全地回復(fù)到和相變前一樣的母相狀態(tài)。132高耐熱SMACu-24Al-3M

8、n合金淬火態(tài)馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣 (a)淬火態(tài)衍襯像； (b) 010晶帶軸衍射斑； (c) 461晶帶軸衍射斑； (d)231晶帶軸衍射斑；(e)10151晶帶軸衍射斑；(f) 232晶帶軸衍射斑_ _ _v不 同 變 形 量 下 C u - 1 8 . 4 A l - 8 . 7 M n - 3 . 4 Z n - 0 . 1 Z r 合 金 典 型 金 相 組 織不同變形量Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr合金原位觀察金金相照片 （a)淬火態(tài) ,(b)4%, (c)5.5%, (d)6.5%，( e)7.5%研究表明，合金呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)必須具備如下條件

9、：（1）馬氏體相變是熱彈性的（或半熱彈性）；（2）母相與馬氏體相呈現(xiàn)有序點陣結(jié)構(gòu)（原子有序排列狀態(tài)為一種原子周圍出現(xiàn)異類原子的機會大）；（3）馬氏體內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)是孿晶（或?qū)渝e）；（4）相變時在晶體學(xué)上具有完全可逆性。 寬滯后銅基記憶合金熱收縮管接頭的研制 SMA管接頭應(yīng)用原理 記憶管接頭的優(yōu)越性：記憶管接頭的優(yōu)點：用記憶管接頭進行管道等的連接，具有裝配工藝簡單、無污染等優(yōu)點，在連接密集部件、不可焊部件、人類不易達到區(qū)域的工程部件（如深水工程、太空工程）、異種材料的連接等方面更顯示了其優(yōu)越性。傳統(tǒng)銅基記憶合金管接頭的缺點：l傳統(tǒng)的記憶合金管接頭，需低溫擴孔，儲存才能滿足低溫下的使用。因此需要昂貴的

10、制備與儲存費用。l應(yīng)用穩(wěn)定性差（低鋁）或成材率低（高鋁）需要解決的技術(shù)難點：l 需要綜合考慮應(yīng)用的可靠性l 冷加工的能力l 寬的相變滯后（實現(xiàn)室溫加工與儲存）寬滯后銅基記憶管接頭的制備工藝路線： 合金成分設(shè)計 熔煉、鑄錠均勻化退火 車削表面熱擠毛坯管 中間熱處理冷拉 車 削記憶熱處理 記憶連接件室溫 擴 徑（擴徑量為7.5%）配接工藝性能 測試。 創(chuàng)新點：l實現(xiàn)了室溫下擴徑與儲存，在較低溫度（-25）下使用，從而可節(jié)省低溫擴徑所需的特殊工裝、夾具的制備費用和低溫儲存所需的昂貴費用（傳統(tǒng)的）。l屬高鋁銅基記憶合金，抗馬氏體穩(wěn)定化能力強（工作穩(wěn)定性高） 。l記憶處理后合金延伸率=12%，而7.5%

11、的變形量即可產(chǎn)生滿足所需的滯后寬度，因而產(chǎn)品成材率高（高鋁記憶合金的一般很?。?主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 抗蝕性 與黃銅相當(dāng)疲勞壽命 105（=0.005）滯后寬度 90貯存溫度 50記憶應(yīng)變 3.5%拉脫力 350kg（8管）氣密性 在振動及50kgf/cm2靜壓下， 五分鐘壓力不降，無泄露。當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究水平當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究水平美國Raychem公司報道了寬滯后Cu基記憶管接頭，使用的記憶合金為Cu-10Al-5Mn-4Zn，變形條件是Ms點附近（-40）4-5%的變形，聲稱滯后寬度可達90K。日本也進行了類似的報道，并應(yīng)用于冰箱等管接頭連接。但我們的跟蹤研究表明，按Ray

12、chem公司和日本報道的條件去做，可供利用的有效滯后寬度實際上難以達到90K，合金延伸率也偏低，僅為6%，擴孔時經(jīng)常開裂，且合金難以冷加工，尚不能真正實用化。l 我們新設(shè)計的產(chǎn)品具有獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)。 該作品的推廣前景及經(jīng)濟效益該作品的推廣前景及經(jīng)濟效益 預(yù)測預(yù)測 寬滯后銅基記憶合金管接頭，克服了傳統(tǒng)的記憶合金管接頭，需低溫擴孔，儲存和運輸才能滿足低溫下的使用的缺點，可以在室溫下擴孔、室溫下貯存，并能滿足低溫下使用要求，從而簡化低溫擴孔所需的特殊工裝及低溫貯存所需的昂貴費用，因此其將在其將在軍工、艦船、民用工業(yè)的中、低壓的管道連接、異種材料管道或其它緊固件的連接中擁有廣闊的市場空間和很強的市

13、場競爭力（以冰箱為例）。 SMA管接頭應(yīng)用實例 n用該寬滯后記憶合金制備的8管接頭，應(yīng)用于美菱電冰箱的銅-鋁管之間的管路連接，通過了氦氣測漏實驗，應(yīng)用與13臺樣機上，到目前已將近二年多，無一泄露事故，目前仍在測試中。 本實驗研制的相變寬滯后記 憶 管 接 頭(已在美菱冰箱試用2年) 滯后寬度90K 大量使用形狀記憶合金材料的是各種管件的接頭。力大，故連接得很牢固，可防止?jié)B漏，裝配時間短，操作方便。美國自1970年以來，已在F11噴氣戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)配管上采用了這種管接頭，其數(shù)量超過10萬個，迄今未發(fā)現(xiàn)一例泄漏事故。這類形狀記憶合金管接頭還可用于核潛艇的配管、海底管道，電纜系統(tǒng)的連接等 高技術(shù)中

14、的應(yīng)用 形狀記憶合金應(yīng)用最典型的例子是制造人造衛(wèi)星天線。由Ti-Ni合金板制成的天線能卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星進入軌道后，利用太陽能或其他熱源加熱就能在太空中展開。美國宇航局（NASA）曾利用Ti-Ni合金加工制成半球狀的月面天線，并加以形狀熱處理，然后壓成一團，用阿波運載火箭送上月球表面，小團天線受太陽照射加熱引起形狀記憶而恢復(fù)原狀，即構(gòu)成正常運行的半球狀天線，可用于通訊。 衛(wèi)星天線30SATELLITE THERMAL ENVIRONMENTS- Environmental heatingeastotalqqqqcos1350ssaqcos)(1350FaAFqsaFaTqeee44TqT =

15、 157C (Sunlight, qs, qa, qe)T = -1C (Shadow, qe): angle between the solar-flux vector and surface normal to the antenna, as : surface absorption for solar radiation, ae: s ur f ace absor p t i o n f o r E a r t h r a d i a t i o n AF: the solar albedo factorThe designed Satellite operating altitude

16、600-700km, Low Earth 31Locking 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. Plan View of the petal locks 由于形狀記憶合金馬氏體相變的自協(xié)調(diào)和馬氏體中形成的各種界面(孿晶面、相界面、變體界面)的滯彈性遷移，形狀記憶合金會吸收能量而具有很好的

17、阻尼特性。低頻交變應(yīng)力下，馬氏體相變內(nèi)耗屬于靜滯型能量損耗機制，內(nèi)耗與頻率、振幅、溫度及升（降）溫速度沒有本質(zhì)的依賴關(guān)系；高頻時，內(nèi)耗峰的溫度隨頻率增大而升高，內(nèi)耗峰是由界面粘滯運動引起的。 阻尼特性 醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 作為醫(yī)用生物材料使用的形狀記憶合金主要是Ti-Ni合金。Ti-Ni合金強度高，耐腐蝕，抗疲勞，無毒副作用，生物相容性好，可以埋入人體作生物硬組織的修復(fù)材料。例如，Ti-Ni合金細(xì)絲插入血管，由于體溫使其恢復(fù)到母相的網(wǎng)狀，作為消除凝固血 用的過濾器。用Ti-Ni合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可模仿心室收縮運動，制造人工心臟。用Ti-Ni合金制成的人造腎臟微型泵、人造關(guān)節(jié)、骨

18、骼、牙床、脊椎矯形棒、骨折固定連接用的加壓騎縫釘、顱骨修補蓋板，以及假肢的連接等，療效較好。ab1000m1000m記憶合金多孔材料abcd 謝謝大家！ 母相與馬氏體相變的晶體學(xué)可逆性與有序點陣具有密切的關(guān)系，晶體學(xué)可逆性通過有序點陣的形成自動得到保障，在母相馬氏體母相的轉(zhuǎn)變循環(huán)中，母相完全可以恢復(fù)原狀。這就是單程記憶效應(yīng)的原因。上圖中：a.將母相冷卻到點以下進行馬氏體相變，母相的一個晶粒內(nèi)會生成許多慣習(xí)面位向不同，但在晶體學(xué)上是等價的馬氏體，把這些慣習(xí)面位向不同的馬氏體叫做馬氏體變體(Variant),馬氏體變體一般有24種，由于相鄰變體可協(xié)調(diào)地生成，微觀上相變應(yīng)變相互抵消，無宏觀變形；b.馬氏體受外力作用時（加載），變體界面移動，相互吞食，形成馬氏體單晶，出現(xiàn)宏觀變形；132高耐熱SMACu-24Al-3Mn合金淬火態(tài)馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣 (a)淬火態(tài)衍襯像； (b) 010晶帶軸衍射斑； (c) 461晶帶軸衍射斑； (d)231晶帶軸衍射斑；(e)10151晶帶軸衍射斑；(f) 232晶帶軸衍射斑_ _ _研究表明，合金呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)必須具