形狀記憶合金(SMA)教材課件

第3章形狀記憶合金（SMA)第3章形狀記憶合金（SMA)1形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn)初始形狀拉直加熱后恢復(fù)形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn)初始形狀拉2形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng):固體材料在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過(guò)加熱到某一溫度之上，能夠恢復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象就叫做形狀記憶效應(yīng)

ShapeMemoryEffect（SME）

。普通金屬材料形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng):固體材料在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過(guò)加3航天飛機(jī)釋放的膨脹月面天線(xiàn)航天飛機(jī)釋放的膨脹月面天線(xiàn)4形狀記憶合金發(fā)展歷史30年代，美國(guó)哈佛大學(xué)A.B.Greninger等發(fā)現(xiàn)CuZn合金在加熱與冷卻的過(guò)程中，馬氏體會(huì)隨之收縮與長(zhǎng)大1948年，前蘇聯(lián)學(xué)者庫(kù)爾久莫夫預(yù)測(cè)到某些具有馬氏體相變的合金會(huì)出現(xiàn)熱彈性馬氏體相變1951年，張祿經(jīng)、Read發(fā)現(xiàn)Au-47.5%Cd具有形狀記憶效應(yīng)1963年，美國(guó)海軍武器試驗(yàn)室（AmericalnavyOrdinanceLaboratory）的Buehler博士等發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金具有形狀記憶效應(yīng)，并開(kāi)發(fā)了Nitinol（Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形狀記憶合金。70年代，CuAlNi也被發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶功能1975年左右，F(xiàn)eMnSi及有些不銹鋼也有形狀記憶功能，并在工業(yè)中得到應(yīng)用1975年至1980年左右，雙程形狀記憶效應(yīng)（TwoWayShapeMemoryEffect）、全程形狀記憶效應(yīng)（AllRoundShapeMemoryEffect）、逆向形狀記憶效應(yīng)（InverseShapeMemoryEffect）相繼被發(fā)現(xiàn)

形狀記憶合金發(fā)展歷史30年代，美國(guó)哈佛大學(xué)A.B.Gre5形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,SMA)

形狀記憶陶瓷

高分子材料——晶態(tài)－玻璃態(tài)相變形狀記憶材料種類(lèi)馬氏體相變形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,SMA6形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變形狀記億效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的馬氏體相變中的的高溫相叫做母相(P)，低溫相叫做馬氏體相(M)馬氏體正相變、馬氏體逆相變。馬氏體逆相變中表現(xiàn)的形狀記憶效應(yīng)，不僅晶體結(jié)構(gòu)完全回復(fù)到母相狀態(tài)，晶格位向也完全回復(fù)到母相狀態(tài)，這種相變晶體學(xué)可逆性只發(fā)生在產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金中。馬氏體相變的臨界溫度：Ms、Mf、As、Af

形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變形狀記億效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的7馬氏體相變的臨界溫度Ms:馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Mf:馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)As:逆馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Af:逆馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)馬氏體相變的臨界溫度Ms:馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)8應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變

StressInducedMartensiticTransformation

應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變

StressInducedMart93.1.1熱彈性馬氏體相變3.1形狀記憶機(jī)理f.c.c.b.c.t3.1.1熱彈性馬氏體相變3.1形狀記憶機(jī)理f.c.c.10馬氏體相變

(MartensiticTransformation)馬氏體相變概述命名，德國(guó)人AdolphMartens最初的認(rèn)識(shí)：相變產(chǎn)物的特征深入研究：形核和生長(zhǎng)的過(guò)程生長(zhǎng)速度鋼：105cm/sAuCd合金、CuZn合金：顯微鏡下肉眼觀察馬氏體相變轉(zhuǎn)變過(guò)程中，沒(méi)有原子的擴(kuò)散，也不改變成分，僅僅是晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。母相(P)和馬氏體相(M)內(nèi)的晶格點(diǎn)陣有看一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系除鋼外，純金屬Li、Ti、Hg、Tl、Pu、Co，合金AuCd、CuAl、AgZn、CuZn、TiNi，化合物半導(dǎo)體BaTiO3、ZrO2，非金屬材料V3Si，也存在馬氏體相變馬氏體相變

(MartensiticTransformat11馬氏體與母相的平衡溫度馬氏體相變的特征溫度（形狀記憶效應(yīng)的特征溫度）Ms:馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Mf:馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)As:逆馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Af:逆馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)定義(As-Ms)為馬氏體相變的熱滯后

馬氏體與母相的平衡溫度馬氏體相變的特征溫度12?G（T）PM是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的驅(qū)動(dòng)力；

?GcPM是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力（?Gc

PM=G

M-G

P）；?Gnc

PM是非化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，主要是相變時(shí)新舊相體積變化而產(chǎn)生的應(yīng)變能；?Gs是指彈性應(yīng)變能以外的相變阻力，近似看作定值。?G（T）PM是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的驅(qū)動(dòng)力；139CrSi馬氏體奧氏體9CrSi馬氏體奧氏體14馬氏體相變

(MartensiticTransformation)馬氏體相變的一般特征無(wú)擴(kuò)散性：馬氏體相變最本質(zhì)的特征切變性相變共格性相變慣習(xí)面

晶體缺陷相變可逆性馬氏體相變

(MartensiticTransformat15馬氏體相變是無(wú)擴(kuò)散性相變LiMg合金在-200℃下發(fā)生了馬氏體相變。在-200℃這樣的低溫下，原子的擴(kuò)散是不可能的。FeC合金和FeNi合金在-20～-195℃之間，馬氏體形成的時(shí)間約為0.05～0.5μs，在-200℃以下以同樣的速度形成馬氏體。CuAl合金中，從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變，有序結(jié)構(gòu)保持不變，根據(jù)有序母相的CuAl的原子位置及其取向關(guān)系，可以計(jì)算出形成馬氏體超結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)圖相，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致，說(shuō)明馬氏體型相變過(guò)程只有原子位置的移動(dòng)(小于一個(gè)原子間距)，而沒(méi)有原子位置的調(diào)換。FeC合金中，C原子和Fe原子的間隙位置，在奧氏體和馬氏體中都保持不變，并導(dǎo)致馬氏體的四方性。馬氏體相變前后沒(méi)有任何化學(xué)成分的改變，馬氏體相成分和原母相成分完全一致馬氏體相變是無(wú)擴(kuò)散性相變LiMg合金在-200℃下發(fā)生了馬氏16馬氏體相變是切變性相變

切變性相變：從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變過(guò)程是以切變方式進(jìn)行的，是靠母相和新相界面上的原子以協(xié)同的、集體的、定向的和有次序的方式移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)證明浮凸：預(yù)先磨制拋光好的試樣，當(dāng)激冷發(fā)生馬氏體相變后，在試樣表面能觀察到宏觀的傾斜的隆起折線(xiàn)：在發(fā)生馬氏體相變前，在試樣上刻上一條直線(xiàn)，發(fā)生馬氏體相變后，刻痕直線(xiàn)受折，有的時(shí)候會(huì)被折成幾段，但直線(xiàn)仍然保持連續(xù)馬氏體相變是切變性相變切變性相變：從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變過(guò)17馬氏體相變中的浮凸和折線(xiàn)馬氏體相變中的浮凸和折線(xiàn)18馬氏體相變的切變變形模式馬氏體相變的切變變形模式19馬氏體相變是共格性相變共格性相變：相界面上的原子既屬于母相，也屬于馬氏體相馬氏體相變是共格性相變共格性相變：相界面上的原子既屬于母相20馬氏體相變的慣習(xí)面(HabitPlane)在馬氏體相變中，馬氏體總是沿著母相的某一晶面開(kāi)始產(chǎn)生，這個(gè)晶面在馬氏體相變的全過(guò)程中，既不發(fā)生畸變，也不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣的晶面就稱(chēng)為慣習(xí)面，慣習(xí)面也是兩相的交界面一般來(lái)說(shuō)，每一種金屬或合金在形成馬氏體時(shí)都有自己確定的慣習(xí)面慣習(xí)面以母相的晶面指數(shù)來(lái)表示，大多情況下為無(wú)理數(shù)指數(shù)面馬氏體相變的慣習(xí)面(HabitPlane)在馬氏體相變中，21馬氏體相變晶體缺陷與相變可逆性馬氏體內(nèi)一定有晶體缺陷存在，這些缺陷包括孿晶、高密度位錯(cuò)、層錯(cuò)等高碳鋼晶體缺陷：孿晶底碳鋼晶體缺陷：高密度位錯(cuò)有色合金晶體缺陷：層錯(cuò)或?qū)\晶馬氏體相變具有可逆性：在冷卻過(guò)程中形成的馬氏體，經(jīng)過(guò)加熱后可以通過(guò)馬氏體逆轉(zhuǎn)變回到母相狀態(tài)。馬氏體相變晶體缺陷與相變可逆性馬氏體內(nèi)一定有晶體缺陷存在，這22熱彈性馬氏體相變馬氏體相變的三種分類(lèi)方式按相變驅(qū)動(dòng)力的大小分大，幾百cal/mol，小，幾cal/mol～幾十cal/mol按馬氏體的形成方式分變溫馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的生成量是溫度的函數(shù)馬氏體片的數(shù)量雖溫度而改變馬氏體片的大小隨溫度而變等溫馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的生成量是時(shí)間的函數(shù)根據(jù)馬氏體相變及其逆相變的溫度滯后(As－Ms)大小分小，熱彈性馬氏體大，非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體相變馬氏體相變的三種分類(lèi)方式23熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的一般特征馬氏體量是溫度的函數(shù)相變溫度滯后小，相變驅(qū)動(dòng)力小相界面與馬氏體晶界有良好的協(xié)調(diào)性?xún)深?lèi)熱彈性馬氏體相變第一類(lèi)熱彈性馬氏體相變：Ms—Mf間隔小，且As>Ms第一類(lèi)熱彈性馬氏體相變：Ms—Mf間隔大，且As<Ms熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的一般特征24熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的晶體學(xué)特征具有晶體學(xué)可逆性：表現(xiàn)為馬氏體晶體結(jié)構(gòu)在逆相變中回復(fù)到了原來(lái)母相的晶體結(jié)構(gòu)，以及在晶體位向上也得到了完全的回復(fù)β相合金的晶體結(jié)構(gòu)持征及其分類(lèi)β合金：母相是體心立方結(jié)構(gòu)類(lèi)型的形狀記憶合金β合金分3類(lèi)馬氏體相的周期堆垛結(jié)構(gòu)熱彈性馬氏體相變中的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的晶體學(xué)特征253.1.2應(yīng)力馬氏體相變Cu34.7Zn3.0Sn單晶試樣在不同溫度的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)3.1.2應(yīng)力馬氏體相變Cu34.7Zn3.0Sn單晶試樣26形狀記憶原理示意圖形狀記憶原理示意圖273.1.3形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)的三種形式3.1.3形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)的三種形式283.2形狀記憶合金材料鎳－鈦系銅系鐵系3.2形狀記憶合金材料鎳－鈦系29基本特點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。但制造過(guò)程較復(fù)雜、價(jià)格高昂。

3.2.1Ti-Ni基形狀記憶合金（一）Ti-Ni基記憶合金中的基本相和相變析出相：Ti2Ni和Ni3Ti這三個(gè)金屬間化合物，對(duì)記憶效應(yīng)有影響基本相－TiNi相：晶體結(jié)構(gòu)是B2(CsCl結(jié)構(gòu))的母相馬氏體的結(jié)構(gòu)為單斜晶體結(jié)構(gòu)是棱面體點(diǎn)陣的R相（適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件下出現(xiàn)）T基本特點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)30R相變不出現(xiàn)記憶效應(yīng)由單一相變貢獻(xiàn)Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應(yīng)的兩種相變過(guò)程母相馬氏體母相R相馬氏體依成分和預(yù)處理?xiàng)l件的不同相變過(guò)程都是熱彈性馬氏體相變R相變出現(xiàn)記憶效應(yīng)由兩個(gè)相變階段貢獻(xiàn)加鐵、時(shí)效R相變不出現(xiàn)Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應(yīng)的兩種相變過(guò)程母相31例：加Cu置換Ni形狀記憶效應(yīng)、力學(xué)性能，合金的價(jià)格顯著降低,加入Cu對(duì)相變溫度有顯著影響,相變溫區(qū)(Ms-Mf)、(Af-As)都變窄,窄滯后記憶合金

例：加Nb可得到很寬滯后的記憶合金（二）

合金元素對(duì)Ti-Ni合金相變的影響加入合金元素調(diào)整相變點(diǎn)例：加Cu置換Ni（二）合金元素對(duì)Ti-Ni合金相變的影響32Cu-Al合金Al含量高時(shí)γ2相也隨之析出不利于記憶效應(yīng)。加入Ni可抑制γ2相析出,從而發(fā)展出Cu-Al-Ni系記憶合金。加入其它組元進(jìn)一步提高性能（多元合金）3.2.2Cu基形狀記憶合金基本特點(diǎn)：形狀記憶效應(yīng)好，價(jià)格便宜，易于加工制造，但強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，不具有生物相容性。

主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al兩個(gè)二元系發(fā)展而來(lái)Cu-Zn合金的熱彈性馬氏體相變溫度極低，通過(guò)加入Al,Ge,Si,Sn,Be可以有效的提高相變溫度，由此發(fā)展了的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be)三元合金。加入其它組元進(jìn)一步提高性能（多元合金）Cu-Al合金Al含量高時(shí)γ2相也隨之析出不利于記憶效3.233Cu-Zn-Al合金相圖的垂直截面圖(6wt%Al)Cu基記憶合金的成分范圍通常在相區(qū)（一）Cu基記憶合金中的基本相和相變相區(qū)成分的合金亞穩(wěn)的有序'相高溫淬火冷卻馬氏體熱彈性馬氏體相變轉(zhuǎn)變加熱冷卻Cu-Zn-Al合金相圖的垂直截面圖(6wt%Al)Cu基34（二）

Cu-Zn-Al基記憶合金的穩(wěn)定性及其影響因素影響相變點(diǎn)的因素：穩(wěn)定性－相變點(diǎn)、記憶性能、力學(xué)性能、化學(xué)成分：Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)%

熱循環(huán)：隨熱循環(huán)次數(shù)的增加相變點(diǎn)會(huì)變化。在大多數(shù)情況下Ms、Af溫度升高，而As和Mf下降或保持不變。同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變的量也會(huì)有所降低，即有部分馬氏體失去熱彈性。循環(huán)一定次數(shù)后相變點(diǎn)與馬氏體轉(zhuǎn)變量都趨于穩(wěn)定值。

（二）Cu-Zn-Al基記憶合金的穩(wěn)定性及其影響因素影響相35馬氏體穩(wěn)定化與時(shí)效處理：淬火后合金的相變點(diǎn)會(huì)隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)而增加直至達(dá)到一穩(wěn)定值。穩(wěn)定化嚴(yán)重時(shí)馬氏體甚至不能逆轉(zhuǎn)變，失去記憶效應(yīng)。產(chǎn)生的原因是由于淬火引入的過(guò)飽和空位偏聚在馬氏體界面釘扎甚至破壞了其可動(dòng)性而造成的。采用適當(dāng)?shù)臅r(shí)效或分級(jí)淬火可以消除過(guò)飽和空位，從而消除馬氏體的穩(wěn)定化。馬氏體穩(wěn)定化與時(shí)效處理：淬火后合金的相變點(diǎn)會(huì)隨著放置時(shí)間的延36力學(xué)性能及改善方法：Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金的性能比較

合金性能

Ni-TiCu-Zn-Al抗拉強(qiáng)度(MPa)1000700屈服強(qiáng)度(MPa)50-200(馬氏體相)100-600（母相）50-150（馬氏體相)50-350（母相）延伸率(%)20-608-12耐蝕性好比黃銅略好生物相容性好差力學(xué)性能及改善方法：Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金的性能比37例1：Cu-Zn-Al合金經(jīng)b相區(qū)固溶處理后平均晶粒尺寸約為1mm，加入w(B)0.01%，晶粒尺寸降至約0.1mm，加入w(B)0.025%，晶粒尺寸降至約50mm。添加微量元素是細(xì)化晶粒主要采用的方法：通過(guò)單獨(dú)或聯(lián)合添加對(duì)Cu固溶度很小的元素，如B、Cr、Ce、Pb、Ti、V、Zr等再輔以適當(dāng)?shù)臒崽幚?。晶粒?xì)化的作用：例：晶粒尺寸由160mm細(xì)化到60mm時(shí)，斷裂延伸率提高40%，斷裂應(yīng)力提高約30%，疲勞壽命提高10-100倍。同時(shí)合金的記憶效應(yīng)保持良好。改善方法：制備單晶或形成定向織構(gòu)；細(xì)化晶粒－添加合金元素、控制再結(jié)晶、快速凝固、粉末冶金

例1：Cu-Zn-Al合金經(jīng)b相區(qū)固溶處理后平均晶粒尺寸約為383.2.3

Fe基形狀記憶合金

基于熱彈性可逆馬氏體相變基本特點(diǎn)：鐵基記憶合金具有強(qiáng)度高、易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)、實(shí)用的合金經(jīng)濟(jì)性好主要合金：Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Pt、Fe-Pd相變溫度很低基于非熱彈性可逆馬氏體相變Fe-Mn-SiFe-Ni-SiFe-Cr-Si-Mn-CoMs點(diǎn)在室溫附近，可回復(fù)變形高達(dá)4%，耐蝕性很好

3.2.3Fe基形狀記憶合金基于熱彈性可逆馬氏體相變基393.3形狀記憶合金的應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：溫度繼電器、玩具、機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、機(jī)器人、熱機(jī)等許多領(lǐng)域，已有一些產(chǎn)品進(jìn)入了市場(chǎng)

形狀記憶合金應(yīng)用的原理單程形狀記憶雙程形狀記憶超彈性相變阻尼3.3形狀記憶合金的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：溫度繼電器、玩具、機(jī)械、40形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域日常生活胸罩熱水控溫閥煙灰缸眼鏡架咖啡壺自動(dòng)開(kāi)閉百葉窗形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域日常生活41形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域其它應(yīng)用太陽(yáng)尾隨裝置溫室窗自動(dòng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)摩擦離合器形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域其它應(yīng)用42太陽(yáng)尾隨裝置太陽(yáng)尾隨裝置43溫室窗自動(dòng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)溫室窗自動(dòng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)44摩擦離合器摩擦離合器45熱水控溫閥熱水控溫閥46煙灰缸煙灰缸47眼鏡架眼鏡架48自動(dòng)開(kāi)閉百葉窗自動(dòng)開(kāi)閉百葉窗49形狀記憶合金血栓過(guò)濾器形狀記憶合金血栓過(guò)濾器50形狀記憶合金制成的血凝過(guò)濾器形狀記憶合金制成的血凝過(guò)濾器51醫(yī)用腔內(nèi)支架的應(yīng)用原理示意圖預(yù)壓縮受熱擴(kuò)張后植入腔道內(nèi)效果醫(yī)用腔內(nèi)支架的應(yīng)用原理示意圖預(yù)壓縮52腔內(nèi)支架臨床應(yīng)用實(shí)例消化道內(nèi)支架血管內(nèi)支架膽道內(nèi)支架腔內(nèi)支架臨床應(yīng)用實(shí)例消化道內(nèi)支架53隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型，其結(jié)構(gòu)分別為立方晶系、四方晶系（簡(jiǎn)記為t相）、單斜晶系（簡(jiǎn)記為m相）。其轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

1170oC2370oC2715oC單斜ZrO2

四方ZrO2

立方ZrO2

液體

t相m相冷卻加熱施加應(yīng)力也可誘發(fā)t相轉(zhuǎn)變?yōu)閙相

可逆馬氏體相變可實(shí)現(xiàn)形狀記憶（與鐵基記憶合金類(lèi)似）

隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型，其結(jié)構(gòu)分別為立方晶系、四方54——形狀記憶高分子SMP的記憶機(jī)理形狀記憶高分子（shapememorypolymer,簡(jiǎn)稱(chēng)SMP）SMP可以是光敏、熱敏、電敏等不同的類(lèi)型。

不是基于馬氏體相變基于高分子材料中分子鏈的取向與分布的變化過(guò)程分子鏈的取向與分布可受光、電、熱、或化學(xué)物質(zhì)等作用的控制——形狀記憶高分子SMP的記憶機(jī)理形狀記憶高分子（shape55應(yīng)用舉例：形狀記憶合金鉚釘應(yīng)用舉例：形狀記憶合金鉚釘56溫度敏感開(kāi)關(guān)溫度敏感開(kāi)關(guān)57第3章形狀記憶合金（SMA)第3章形狀記憶合金（SMA)58形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn)初始形狀拉直加熱后恢復(fù)形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn)初始形狀拉59形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng):固體材料在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過(guò)加熱到某一溫度之上，能夠恢復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象就叫做形狀記憶效應(yīng)

ShapeMemoryEffect（SME）

。普通金屬材料形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng):固體材料在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過(guò)加60航天飛機(jī)釋放的膨脹月面天線(xiàn)航天飛機(jī)釋放的膨脹月面天線(xiàn)61形狀記憶合金發(fā)展歷史30年代，美國(guó)哈佛大學(xué)A.B.Greninger等發(fā)現(xiàn)CuZn合金在加熱與冷卻的過(guò)程中，馬氏體會(huì)隨之收縮與長(zhǎng)大1948年，前蘇聯(lián)學(xué)者庫(kù)爾久莫夫預(yù)測(cè)到某些具有馬氏體相變的合金會(huì)出現(xiàn)熱彈性馬氏體相變1951年，張祿經(jīng)、Read發(fā)現(xiàn)Au-47.5%Cd具有形狀記憶效應(yīng)1963年，美國(guó)海軍武器試驗(yàn)室（AmericalnavyOrdinanceLaboratory）的Buehler博士等發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金具有形狀記憶效應(yīng)，并開(kāi)發(fā)了Nitinol（Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形狀記憶合金。70年代，CuAlNi也被發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶功能1975年左右，F(xiàn)eMnSi及有些不銹鋼也有形狀記憶功能，并在工業(yè)中得到應(yīng)用1975年至1980年左右，雙程形狀記憶效應(yīng)（TwoWayShapeMemoryEffect）、全程形狀記憶效應(yīng)（AllRoundShapeMemoryEffect）、逆向形狀記憶效應(yīng)（InverseShapeMemoryEffect）相繼被發(fā)現(xiàn)

形狀記憶合金發(fā)展歷史30年代，美國(guó)哈佛大學(xué)A.B.Gre62形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,SMA)

形狀記憶陶瓷

高分子材料——晶態(tài)－玻璃態(tài)相變形狀記憶材料種類(lèi)馬氏體相變形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,SMA63形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變形狀記億效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的馬氏體相變中的的高溫相叫做母相(P)，低溫相叫做馬氏體相(M)馬氏體正相變、馬氏體逆相變。馬氏體逆相變中表現(xiàn)的形狀記憶效應(yīng)，不僅晶體結(jié)構(gòu)完全回復(fù)到母相狀態(tài)，晶格位向也完全回復(fù)到母相狀態(tài)，這種相變晶體學(xué)可逆性只發(fā)生在產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金中。馬氏體相變的臨界溫度：Ms、Mf、As、Af

形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變形狀記億效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的64馬氏體相變的臨界溫度Ms:馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Mf:馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)As:逆馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Af:逆馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)馬氏體相變的臨界溫度Ms:馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)65應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變

StressInducedMartensiticTransformation

應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變

StressInducedMart663.1.1熱彈性馬氏體相變3.1形狀記憶機(jī)理f.c.c.b.c.t3.1.1熱彈性馬氏體相變3.1形狀記憶機(jī)理f.c.c.67馬氏體相變

(MartensiticTransformation)馬氏體相變概述命名，德國(guó)人AdolphMartens最初的認(rèn)識(shí)：相變產(chǎn)物的特征深入研究：形核和生長(zhǎng)的過(guò)程生長(zhǎng)速度鋼：105cm/sAuCd合金、CuZn合金：顯微鏡下肉眼觀察馬氏體相變轉(zhuǎn)變過(guò)程中，沒(méi)有原子的擴(kuò)散，也不改變成分，僅僅是晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。母相(P)和馬氏體相(M)內(nèi)的晶格點(diǎn)陣有看一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系除鋼外，純金屬Li、Ti、Hg、Tl、Pu、Co，合金AuCd、CuAl、AgZn、CuZn、TiNi，化合物半導(dǎo)體BaTiO3、ZrO2，非金屬材料V3Si，也存在馬氏體相變馬氏體相變

(MartensiticTransformat68馬氏體與母相的平衡溫度馬氏體相變的特征溫度（形狀記憶效應(yīng)的特征溫度）Ms:馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Mf:馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)As:逆馬氏體相變開(kāi)始點(diǎn)Af:逆馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)定義(As-Ms)為馬氏體相變的熱滯后

馬氏體與母相的平衡溫度馬氏體相變的特征溫度69?G（T）PM是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的驅(qū)動(dòng)力；

?GcPM是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力（?Gc

PM=G

M-G

P）；?Gnc

PM是非化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，主要是相變時(shí)新舊相體積變化而產(chǎn)生的應(yīng)變能；?Gs是指彈性應(yīng)變能以外的相變阻力，近似看作定值。?G（T）PM是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的驅(qū)動(dòng)力；709CrSi馬氏體奧氏體9CrSi馬氏體奧氏體71馬氏體相變

(MartensiticTransformation)馬氏體相變的一般特征無(wú)擴(kuò)散性：馬氏體相變最本質(zhì)的特征切變性相變共格性相變慣習(xí)面

晶體缺陷相變可逆性馬氏體相變

(MartensiticTransformat72馬氏體相變是無(wú)擴(kuò)散性相變LiMg合金在-200℃下發(fā)生了馬氏體相變。在-200℃這樣的低溫下，原子的擴(kuò)散是不可能的。FeC合金和FeNi合金在-20～-195℃之間，馬氏體形成的時(shí)間約為0.05～0.5μs，在-200℃以下以同樣的速度形成馬氏體。CuAl合金中，從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變，有序結(jié)構(gòu)保持不變，根據(jù)有序母相的CuAl的原子位置及其取向關(guān)系，可以計(jì)算出形成馬氏體超結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)圖相，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致，說(shuō)明馬氏體型相變過(guò)程只有原子位置的移動(dòng)(小于一個(gè)原子間距)，而沒(méi)有原子位置的調(diào)換。FeC合金中，C原子和Fe原子的間隙位置，在奧氏體和馬氏體中都保持不變，并導(dǎo)致馬氏體的四方性。馬氏體相變前后沒(méi)有任何化學(xué)成分的改變，馬氏體相成分和原母相成分完全一致馬氏體相變是無(wú)擴(kuò)散性相變LiMg合金在-200℃下發(fā)生了馬氏73馬氏體相變是切變性相變

切變性相變：從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變過(guò)程是以切變方式進(jìn)行的，是靠母相和新相界面上的原子以協(xié)同的、集體的、定向的和有次序的方式移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)證明浮凸：預(yù)先磨制拋光好的試樣，當(dāng)激冷發(fā)生馬氏體相變后，在試樣表面能觀察到宏觀的傾斜的隆起折線(xiàn)：在發(fā)生馬氏體相變前，在試樣上刻上一條直線(xiàn)，發(fā)生馬氏體相變后，刻痕直線(xiàn)受折，有的時(shí)候會(huì)被折成幾段，但直線(xiàn)仍然保持連續(xù)馬氏體相變是切變性相變切變性相變：從母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變過(guò)74馬氏體相變中的浮凸和折線(xiàn)馬氏體相變中的浮凸和折線(xiàn)75馬氏體相變的切變變形模式馬氏體相變的切變變形模式76馬氏體相變是共格性相變共格性相變：相界面上的原子既屬于母相，也屬于馬氏體相馬氏體相變是共格性相變共格性相變：相界面上的原子既屬于母相77馬氏體相變的慣習(xí)面(HabitPlane)在馬氏體相變中，馬氏體總是沿著母相的某一晶面開(kāi)始產(chǎn)生，這個(gè)晶面在馬氏體相變的全過(guò)程中，既不發(fā)生畸變，也不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣的晶面就稱(chēng)為慣習(xí)面，慣習(xí)面也是兩相的交界面一般來(lái)說(shuō)，每一種金屬或合金在形成馬氏體時(shí)都有自己確定的慣習(xí)面慣習(xí)面以母相的晶面指數(shù)來(lái)表示，大多情況下為無(wú)理數(shù)指數(shù)面馬氏體相變的慣習(xí)面(HabitPlane)在馬氏體相變中，78馬氏體相變晶體缺陷與相變可逆性馬氏體內(nèi)一定有晶體缺陷存在，這些缺陷包括孿晶、高密度位錯(cuò)、層錯(cuò)等高碳鋼晶體缺陷：孿晶底碳鋼晶體缺陷：高密度位錯(cuò)有色合金晶體缺陷：層錯(cuò)或?qū)\晶馬氏體相變具有可逆性：在冷卻過(guò)程中形成的馬氏體，經(jīng)過(guò)加熱后可以通過(guò)馬氏體逆轉(zhuǎn)變回到母相狀態(tài)。馬氏體相變晶體缺陷與相變可逆性馬氏體內(nèi)一定有晶體缺陷存在，這79熱彈性馬氏體相變馬氏體相變的三種分類(lèi)方式按相變驅(qū)動(dòng)力的大小分大，幾百cal/mol，小，幾cal/mol～幾十cal/mol按馬氏體的形成方式分變溫馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的生成量是溫度的函數(shù)馬氏體片的數(shù)量雖溫度而改變馬氏體片的大小隨溫度而變等溫馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的生成量是時(shí)間的函數(shù)根據(jù)馬氏體相變及其逆相變的溫度滯后(As－Ms)大小分小，熱彈性馬氏體大，非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體相變馬氏體相變的三種分類(lèi)方式80熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的一般特征馬氏體量是溫度的函數(shù)相變溫度滯后小，相變驅(qū)動(dòng)力小相界面與馬氏體晶界有良好的協(xié)調(diào)性?xún)深?lèi)熱彈性馬氏體相變第一類(lèi)熱彈性馬氏體相變：Ms—Mf間隔小，且As>Ms第一類(lèi)熱彈性馬氏體相變：Ms—Mf間隔大，且As<Ms熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的一般特征81熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的晶體學(xué)特征具有晶體學(xué)可逆性：表現(xiàn)為馬氏體晶體結(jié)構(gòu)在逆相變中回復(fù)到了原來(lái)母相的晶體結(jié)構(gòu)，以及在晶體位向上也得到了完全的回復(fù)β相合金的晶體結(jié)構(gòu)持征及其分類(lèi)β合金：母相是體心立方結(jié)構(gòu)類(lèi)型的形狀記憶合金β合金分3類(lèi)馬氏體相的周期堆垛結(jié)構(gòu)熱彈性馬氏體相變中的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變的晶體學(xué)特征823.1.2應(yīng)力馬氏體相變Cu34.7Zn3.0Sn單晶試樣在不同溫度的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)3.1.2應(yīng)力馬氏體相變Cu34.7Zn3.0Sn單晶試樣83形狀記憶原理示意圖形狀記憶原理示意圖843.1.3形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)的三種形式3.1.3形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)的三種形式853.2形狀記憶合金材料鎳－鈦系銅系鐵系3.2形狀記憶合金材料鎳－鈦系86基本特點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。但制造過(guò)程較復(fù)雜、價(jià)格高昂。

3.2.1Ti-Ni基形狀記憶合金（一）Ti-Ni基記憶合金中的基本相和相變析出相：Ti2Ni和Ni3Ti這三個(gè)金屬間化合物，對(duì)記憶效應(yīng)有影響基本相－TiNi相：晶體結(jié)構(gòu)是B2(CsCl結(jié)構(gòu))的母相馬氏體的結(jié)構(gòu)為單斜晶體結(jié)構(gòu)是棱面體點(diǎn)陣的R相（適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件下出現(xiàn)）T基本特點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)87R相變不出現(xiàn)記憶效應(yīng)由單一相變貢獻(xiàn)Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應(yīng)的兩種相變過(guò)程母相馬氏體母相R相馬氏體依成分和預(yù)處理?xiàng)l件的不同相變過(guò)程都是熱彈性馬氏體相變R相變出現(xiàn)記憶效應(yīng)由兩個(gè)相變階段貢獻(xiàn)加鐵、時(shí)效R相變不出現(xiàn)Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應(yīng)的兩種相變過(guò)程母相88例：加Cu置換Ni形狀記憶效應(yīng)、力學(xué)性能，合金的價(jià)格顯著降低,加入Cu對(duì)相變溫度有顯著影響,相變溫區(qū)(Ms-Mf)、(Af-As)都變窄,窄滯后記憶合金

例：加Nb可得到很寬滯后的記憶合金（二）

合金元素對(duì)Ti-Ni合金相變的影響加入合金元素調(diào)整相變點(diǎn)例：加Cu置換Ni（二）合金元素對(duì)Ti-Ni合金相變的影響89Cu-Al合金Al含量高時(shí)γ2相也隨之析出不利于記憶效應(yīng)。加入Ni可抑制γ2相析出,從而發(fā)展出Cu-Al-Ni系記憶合金。加入其它組元進(jìn)一步提高性能（多元合金）3.2.2Cu基形狀記憶合金基本特點(diǎn)：形狀記憶效應(yīng)好，價(jià)格便宜，易于加工制造，但強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，不具有生物相容性。

主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al兩個(gè)二元系發(fā)展而來(lái)Cu-Zn合金的熱彈性馬氏體相變溫度極低，通過(guò)加入Al,Ge,Si,Sn,Be可以有效的提高相變溫度，由此發(fā)展了的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be)三元合金。加入其它組元進(jìn)一步提高性能（多元合金）Cu-Al合金Al含量高時(shí)γ2相也隨之析出不利于記憶效3.290Cu-Zn-Al合金相圖的垂直截面圖(6wt%Al)Cu基記憶合金的成分范圍通常在相區(qū)（一）Cu基記憶合金中的基本相和相變相區(qū)成分的合金亞穩(wěn)的有序'相高溫淬火冷卻馬氏體熱彈性馬氏體相變轉(zhuǎn)變加熱冷卻Cu-Zn-Al合金相圖的垂直截面圖(6wt%Al)Cu基91（二）

Cu-Zn-Al基記憶合金的穩(wěn)定性及其影響因素影響相變點(diǎn)的因素：穩(wěn)定性－相變點(diǎn)、記憶性能、力學(xué)性能、化學(xué)成分：Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)%

熱循環(huán)：隨熱循環(huán)次數(shù)的增加相變點(diǎn)會(huì)變化。在大多數(shù)情況下Ms、Af溫度升高，而As和Mf下降或保持不變。同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變的量也會(huì)有所降低，即有部分馬氏體失去熱彈性。循環(huán)一定次數(shù)后相變點(diǎn)與馬氏體轉(zhuǎn)變量都趨于穩(wěn)定值。

（二）Cu-Zn-Al基記憶合金的穩(wěn)定性及其影響因素影響相92馬氏體穩(wěn)定化與時(shí)效處理：淬火后合金的相變點(diǎn)會(huì)隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)而增加直至達(dá)到一穩(wěn)定值。穩(wěn)定化嚴(yán)重時(shí)馬氏體甚至不能逆轉(zhuǎn)變，失去記憶效應(yīng)。產(chǎn)生的原因是由于淬火引入的過(guò)飽和空位偏聚在馬氏體界面釘扎甚至破壞了其可動(dòng)性而造成的。采用適當(dāng)?shù)臅r(shí)效或分級(jí)淬火可以消除過(guò)飽和空位，從而消除馬氏體的穩(wěn)定化。馬氏體穩(wěn)定化與時(shí)效處理：淬火后合金的相變點(diǎn)會(huì)隨著放置時(shí)間的延93力學(xué)性能及改善方法：Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金的性能比較

合金性能

Ni-TiCu-Zn-Al抗拉強(qiáng)度(MPa)1000700屈服強(qiáng)度(MPa)50-200(馬氏體相)100-600（母相）50-150（馬氏體相)50-350（母相）延伸率(%)20-608-12耐蝕性好比黃銅略好生物相容性好差力學(xué)性能及改善方法：Ni-Ti和Cu-Zn-Al合金的性能比94例1：Cu-Zn-Al合金經(jīng)b相區(qū)固溶處理后平均晶粒尺寸約為1mm，加入w(B)0.01%，晶粒尺寸降至約0.1mm，加入w(B)0.025%，晶粒尺寸降至約50mm。添加微量元素是細(xì)化晶粒主要采用的方法：通過(guò)單獨(dú)或聯(lián)合添加對(duì)Cu固溶度很小的元素，如B、Cr、Ce、Pb、Ti、V、Zr等再輔以適當(dāng)?shù)臒崽幚?。晶粒?xì)化的作用：例：晶粒尺寸由160mm細(xì)化到60mm時(shí)，斷裂延伸率提高40%，斷裂應(yīng)力提高約30%，疲勞壽命提高10-100倍。同時(shí)合金的記憶效應(yīng)保持良好。改善