形狀記憶合金原理

形狀記憶合金原理第1頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)階段記憶合金工作流程：BA某種條件回到初始環(huán)境第2頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四是否存在這種合金：BCA或者在某種條件下，合金形狀只是環(huán)境參數(shù)的狀態(tài)函數(shù)？第3頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四形成條件：從記憶合金的工作狀況中，可看出形成記憶合金的以下兩個條件。1、形狀改變是可逆或半可逆的2、環(huán)境的改變能引起形狀的改變第4頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)已知滿足以上條件的合金都有一個很大的特點——其馬氏體相變是熱彈性的。其工作形式如下：馬氏體母相淬火或冷卻、施加外應力升溫到馬氏體轉變溫度以上為什么它們具有這樣的性質呢？下面我們就進入本節(jié)主題第5頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四基礎知識：（提問）1、馬氏體相變是一種非擴散型轉變，母相向馬氏體轉變，可理解為原子排列面的切應變。2、以Cu-Zn合金為例，合金相變時圍繞母相的一個特定位向常形成四種自適應的馬氏體變體，其慣習面以母相的該方向對稱排列。四種變體合稱為一個馬氏體片群，如圖3-1。圖3-1一個馬氏體片群(a)實線：孿晶界及變體之間的界面。虛線：基準面；(b)在標準投影圖中，四個變體的慣習面法線的位置

第6頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四通常的形狀記憶合金根據(jù)馬氏體與母相的晶體學關系，共有六個這樣的片群，形成24種馬氏體變體。每個馬氏體片群中的各個變體的位向不同，有各自不同的應變方向。每個馬氏體形成時，在周圍基體中造成了一定方向的應力場，使沿這個方向上變體長大越來越困難，如果有另一個馬氏體變體在此應力場中形成，它當然取阻力小、能量低的方向，以降低總應變能。由四種變體組成的片群總應變幾乎為零，這就是馬氏體相變的自適應現(xiàn)象。第7頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四如圖3-2所示，記憶合金的24個變體組成六個片群及其晶體學關系，慣習面繞6個{110}分布，形成6個片群。圖3-224個自適應馬氏體變體

第8頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四原理：原理1：馬氏體母相降溫、施加外應力升溫到馬氏體轉變溫度以上

合金在單向外力作用下，其中馬氏體順應力方向發(fā)生再取向，造成馬氏體的擇優(yōu)取向。當大部分或全部的馬氏體都采取個取向時，整個材料在宏觀上表現(xiàn)為形變。原理2馬氏體母相第9頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四將變形馬氏體加熱到As點以上，馬氏體發(fā)生逆轉變，因為馬氏體晶體的對稱性低，轉變?yōu)槟赶鄷r只形成幾個位向，甚至只有一個位向—母相原來的位向。尤其當母相為長程有序時，更是如此。當自適應馬氏體片群中不同變體存在強的力學偶時，形成單一位向的母相傾向更大。逆轉變完成后，便完全回復了原來母相的晶體，宏觀變形也完全恢復。第10頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四注意：以上原理只適合熱彈性，而半熱彈性記憶合金主要是由Shockley不全位錯的可逆移動引起。母相奧氏體為面心立方結構，馬氏體為密排六方結構。由于層錯能低，母相中存在大量層錯，馬氏體依靠層錯行核。馬氏體母相奧氏體施加外應力，產(chǎn)生Shockley不全位錯升溫Shockley不全位錯沿反向收縮第11頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四圖3-3形狀記憶效應的三種形式變形的三種形式第12頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四Question：F上述彈簧是否屬于記憶合金？第13頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四補充知識：馬氏體最初是在鋼中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一定溫度后經(jīng)迅速冷卻，得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。1895年法國人奧斯蒙為紀念德國冶金學家馬滕斯，把這種組織命名為馬氏體。人們最早只把鋼中由奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的相變稱為馬氏體相變。20世紀以來，對鋼中馬氏體相變的特征累積了較多的知識，又相繼發(fā)現(xiàn)在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前廣泛地把基本特征屬馬氏體相變型的相變產(chǎn)物統(tǒng)稱為馬氏體。相變特征和機制

馬氏體相變[1]具有熱效應和體積效應，相變過程是形核和長大的過程。但核心如何形成，又如何長大，目前尚無完整的模型。馬氏體長大速率一般較大，有的甚至高達10cm·s。人們推想母相中的晶體缺陷（如位錯）的組態(tài)對馬氏體形核具有影響，但目前實驗技術還無法觀察到相界面上位錯的組態(tài)，因此對馬氏體相變的過程，尚不能窺其全貌。其特征可概括如下：

馬氏體相變是無擴散相變之一，相變時沒有穿越界面的原子無規(guī)行走或順序跳躍，因而新相（馬氏體）承襲了母相的化學成分、原子序態(tài)和晶體缺陷。馬氏體相變時原子有規(guī)則地保持其相鄰原子間的相對關系進行位移,這種位移是切變式的原子位移的結果產(chǎn)生點陣應變(或形變)。這種切變位移不但使母相點陣結構改變，而且產(chǎn)生宏觀的形狀改變。第14頁，共16頁，2023年，2月20日，星期四

馬氏體相變時在一定的母相面上形成新相馬氏體，這個面稱為慣習（析）面，它往往不是簡單的指數(shù)面，如鎳鋼中馬氏體在奧氏體(γ)的{135}上最先形成（圖7）。馬氏體形成時和母相的界面上存在大的應變。

馬氏體相變具有可逆性。當母相冷卻時在一定溫度開始轉變?yōu)轳R氏體，把這溫度標作Ms,加熱時馬氏體逆變?yōu)槟赶?，開始逆變的溫度標為As。它們所包圍的面積稱為熱滯面積,相變時的協(xié)作形變?yōu)榉缎孕巫儠r，一般熱滯較大；而為彈性形變時,熱滯很小。像Au-Cd這類合金冷卻時馬氏體