功能材料形狀記憶合金

功能材料形狀記憶合金第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第三章形狀記憶合金第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

某些具有熱彈性馬氏體相變的合金材料，處于馬氏體狀態(tài)時，進行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當超過馬氏體相消失的溫度時，變形材料就能恢復到變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect)，簡稱SME。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy)，簡稱(SMA)。如Cu-Sn，Cu-Zn，Cu-Al-Ni，Au-Cd，In-Tl，Ti-Ni等合金均具有形狀記憶效應(yīng)。第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

大部分形狀記憶合金的形狀記憶機理是熱彈性馬氏體相變。馬氏體相變往往具有可逆性，即把馬氏體(低溫相)以足夠快的速度加熱，可以不經(jīng)分解直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?母相)。母相向馬氏體相轉(zhuǎn)變開始、終了溫度稱為Ms、Mf；馬氏體向母相逆轉(zhuǎn)變開始、終了溫度稱為As、Af。3.1形狀記憶原理3.1.1熱彈性馬氏體相變第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變，且Ms與As相差很小的合金，將其冷卻到Ms點以下，馬氏體晶核隨溫度下降逐漸長大，溫度回升時馬氏體片又反過來同步地隨溫度上升而縮小，這種馬氏體叫熱彈性馬氏體。在Ms以上某一溫度對合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變，形成的馬氏體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。有些應(yīng)力誘發(fā)馬氏體也屬彈性馬氏體，應(yīng)力增加時馬氏體長大，反之馬氏體縮小，應(yīng)力消除后馬氏體消失，這種馬氏體叫應(yīng)力彈性馬氏體。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

母相受力生成馬氏體并發(fā)生形變，或先淬火得到馬氏體，然后使馬氏體發(fā)生塑性變形，變形后的合金受熱(溫度高于As)時，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，回復母相原始狀態(tài)；溫度升高至Af時，馬氏體消失，合金完全回復到原來的形狀。但是具有熱彈性馬氏體相變的材料并不都具有形狀記憶效應(yīng)，這一點可以從熱力學上給予證明，在此不詳細討論。第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.1.2形狀記憶原理一些學者曾根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征，提出產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的條件是：(1)馬氏體相變是熱彈性的；(2)馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，即亞結(jié)構(gòu)為孿晶；(3)母相和馬氏體均為有序結(jié)構(gòu)。但隨著對形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述三個條件的合金(如Fe-Mn-Si合金，其馬氏體相變是半熱彈性的，且母相無序)也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

后來又發(fā)現(xiàn)不僅某些合金，陶瓷材料、高分子材料中也存在形狀記憶效應(yīng)，其機理亦與金屬材料不同。所以許多學者強調(diào)，根據(jù)馬氏體相變的定義，在相變過程中，只要形成單變體馬氏體并排出其他阻力，材料經(jīng)過馬氏體相變及其逆相變，就會表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

馬氏體相變是一種非擴散型轉(zhuǎn)變，母相向馬氏體轉(zhuǎn)變，可理解為原子排列面的切應(yīng)變。由于剪切形變方向不同，而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同，位向不同的馬氏體-馬氏體變體。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(yīng)的馬氏體變體，其慣習面以母相的該方向?qū)ΨQ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

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通常的形狀記憶合金根據(jù)馬氏體與母相的晶體學關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力場中形成，它當然取阻力小、能量低的方向，以降低總應(yīng)變能。由四種變體組成的片群總應(yīng)變幾乎為零，這就是馬氏體相變的自適應(yīng)現(xiàn)象。第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

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(guān)系，慣習面繞6個{110}分布，形成6個片群。圖3-224個自適應(yīng)馬氏體變體

第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

每片馬氏體形成時都伴有形狀的變化。這種合金在單向外力作用下，其中馬氏體順應(yīng)力方向發(fā)生再取向，即造成馬氏體的擇優(yōu)取向。當大部分或全部的馬氏體都采取一個取向時，整個材料在宏觀上表現(xiàn)為形變。對于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，生成的馬氏體沿外力方向擇優(yōu)取向，在相變同時，材料發(fā)生明顯變形，上述的24個馬氏體變體可以變成同一取向的單晶馬氏體。第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

將變形馬氏體加熱到As點以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，因為馬氏體晶體的對稱性低，轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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。第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

形狀記憶合金母相的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般為具有高對稱性的立方點陣，且絕大部分為有序結(jié)構(gòu)。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)較母相復雜，對稱性低，且大多為長周期堆垛，同一母相可有幾種不同的馬氏體結(jié)構(gòu)，見表3-l。如果考慮內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)，馬氏體結(jié)構(gòu)則更為復雜：如9R，18R馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為層錯，3R與2H馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為孿晶。目前已知的一些形狀記憶合金，除In-Tl，F(xiàn)e-Pd和Mn-Cu合金為無序結(jié)構(gòu)外，其余都是有序結(jié)構(gòu)。一般地說，形成有序晶格和熱彈性型馬氏體相變是形狀記憶合金的基本條件。第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五表3-1形狀記憶合金的母相與馬氏體結(jié)構(gòu)

注：符號所代表的相結(jié)構(gòu)B2—CsCl或β’Cu—Zn型立方有序結(jié)構(gòu)；DO3—BiF3或BiLi3型面心立方有序結(jié)構(gòu)；B19—β’AuCd型正交晶格；FCT—面心正交晶格；Ll2—AuCu3I型立方有序結(jié)構(gòu)；BCT體心四方晶體。第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.1.3形狀記憶效應(yīng)與偽彈性形狀記憶效應(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)生塑性變形，改變其形狀，再重新加熱到As以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，溫度升至Af點，馬氏體完全消失，材料完全恢復母相形狀。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)，見圖3-3(a)。第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖3-3形狀記憶效應(yīng)的三種形式第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

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)；當從母相再次冷卻為馬氏體時，還回復原馬氏體的形狀，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)。如圖3-3(b)。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，形狀回復到與母相完全相反的形狀，稱為全方位形狀記憶效應(yīng)。見圖3-3(c)。應(yīng)力彈性馬氏體形成時會使合金產(chǎn)生附加應(yīng)變，去除應(yīng)力后，馬氏體消失，應(yīng)變也隨之回復，這種現(xiàn)象稱為偽彈性或超彈性。第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

形狀記憶效應(yīng)和偽彈性的出現(xiàn)與溫度和應(yīng)力有直接關(guān)系。如圖3-4，Cu-14.5％Al-4.4％Ni合金單晶體在各種溫度下拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中(a)表示合金在Mf溫度以下的拉伸。在Mf以下，馬氏體相在熱力學上是穩(wěn)定的，應(yīng)力除去后，有一部分應(yīng)變殘留下來。這時如果在As以上溫度加熱，變形會消失，即出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。圖3-4Cu-14.5％Al-4.4％Ni(重量)合金單晶體在不同溫度拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

圖中(b)表示合金在Ms和As之間的溫度范圍拉伸，由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，使合金產(chǎn)生附加應(yīng)變，加熱可使變形消失。與(a)相同，屬于形狀記憶效應(yīng)。圖3-4Cu-14.5％Al-4.4％Ni(重量)合金單晶體在不同溫度拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

圖中(c)、(d)表示合金在Af以上溫度進行拉伸，此時馬氏體只有在應(yīng)力作用下才是穩(wěn)定的，合金的變形是由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變引起的，應(yīng)力卸除，變形即消失，馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?。這種不通過加熱即恢復到母相形狀的現(xiàn)象稱為超彈性或偽彈性。圖3-4Cu-14.5％Al-4.4％Ni(重量)合金單晶體在不同溫度拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

不僅對母相施加應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變會產(chǎn)生偽彈性，而且在Mf溫度下，應(yīng)力能誘發(fā)具有其它結(jié)構(gòu)的馬氏體。這種應(yīng)力誘發(fā)馬氏體在熱力學上是不穩(wěn)定的，僅能在應(yīng)力下存在，應(yīng)力除去后，逆轉(zhuǎn)變?yōu)樵冀Y(jié)構(gòu)馬氏體而出現(xiàn)偽彈性。第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖3-5(Cu，Ni)3Al合金單晶的溫度-應(yīng)力狀態(tài)圖

如圖3-5，給出了Cu-Al-Ni合金單晶體的內(nèi)部組織變化及相變點溫度、應(yīng)力的關(guān)系。第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

由圖可見，隨著應(yīng)力的增加，合金的Ms點向高溫移動。當合金急冷至Ms點以下時，首先生成γ’1(2H)馬氏體，β’’1(18R2)是由γ’l應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的，β’1是由β1應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的，進一步加載，β’’1和β’1均轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢?。即應(yīng)力改變了熱力學條件，誘發(fā)一種結(jié)構(gòu)的馬氏體向另一種結(jié)構(gòu)的馬氏體轉(zhuǎn)變，從而使合金呈現(xiàn)偽彈性。第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

伴隨母相-馬氏體之間的應(yīng)力誘發(fā)相變產(chǎn)生偽彈性的材料有Cu-Zn，Cu-Zn-X(X為Ga，Si，Ni，Al等元素)，Au-Cd，Ag-Cd，Ti-Ni，In-Tl等；伴隨馬氏體-馬氏體之間的應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生偽彈性的合金有Cu-Zn，Cu-Zn-X，Au-Cd等。見表3-2。第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五表3-2具有偽彈性的合金及馬氏體結(jié)構(gòu)

第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

從逆轉(zhuǎn)變引起形狀恢復這個角度來看，形狀記憶合金都會表現(xiàn)出超彈性(在原理上)。二者本質(zhì)是相同的，區(qū)別只是變形溫度與最初狀態(tài)(馬氏體還是母相)不同。第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

圖3-6為形狀記憶效應(yīng)與偽彈性產(chǎn)生條件的示意圖。如果合金塑性變形的臨界應(yīng)力較低[如圖中(B)線]，在應(yīng)力較小時，就出現(xiàn)滑移，發(fā)生塑性變形，則合金不會出現(xiàn)偽彈性。圖3-6形狀記憶效應(yīng)與超彈性出現(xiàn)條件的模式圖

第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

反之，當臨界應(yīng)力較高[圖中(A)線]時，應(yīng)力未達到塑性變形的臨界應(yīng)力(未發(fā)生塑性變形)就出現(xiàn)了超彈性。圖3-6形狀記憶效應(yīng)與超彈性出現(xiàn)條件的模式圖

第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖中從Ms點引出的直線表示溫度高于Ms時，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變所需要的臨界應(yīng)力。直線的斜率dσ／dT=-

H／Tε(σ：臨界應(yīng)力；T：溫度．

H：相變熱，ε：相變應(yīng)變)。從圖中可以看出，在Ms點以下溫度對合金變形只產(chǎn)生形狀記億效應(yīng)，不出現(xiàn)偽彈性；在Af以上溫度對材料施加應(yīng)力，只出現(xiàn)偽彈性。第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.2形狀記憶合金

已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為鎳-鈦系、銅系、鐵系合金三大類。另外，近年發(fā)現(xiàn)一些聚合物和陶瓷材料也具有形狀記憶功能，其形狀記憶原理與合金不同，還有待于進一步研究。目前已實用化的形狀記憶材料只有Ti-Ni合金和銅系形狀記憶合金。表3-3為Ti-Ni、銅系，F(xiàn)e-Mn-Si合金有關(guān)性能參數(shù)。第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五表3-3部分形狀記憶合金性能比較第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.2.1Ti-Ni系合金表3-4Ti-Ni合金有關(guān)性能指標第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Ti-Ni合金中有三種金屬化合物：Ti2Ni，TiNi和TiNi3，見圖3-7。TiNi的高溫相是CsCl結(jié)構(gòu)的體心立方晶體(B2)，低溫相是一種復雜的長周期堆垛結(jié)構(gòu)B19，屬單斜晶系。高溫相(母相)與馬氏體之間的轉(zhuǎn)變溫度(Ms)點隨合金成分及其熱處理狀態(tài)而改變。Ni成分變化0.1at％，Ms變化10K。為了得到良好的記憶效應(yīng)，通常在1000℃左右固溶后，在400℃時效，再淬火得到馬氏體。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖3-7Ti-Ni二元合金狀態(tài)圖

第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

時效處理一方面能提高滑移變形的臨界應(yīng)力，另一方面能引起R相變。R相是B2點陣受到沿<111>方向的菱形畸變的結(jié)果。通過時效處理、反復進行相變和逆轉(zhuǎn)變及加入其它元素，當母相轉(zhuǎn)變?yōu)镽相時，相變應(yīng)變小于1％，逆轉(zhuǎn)變的溫度滯后小于1.5K。第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

由于形狀記憶合金在許多應(yīng)用中，都是在熱和應(yīng)變循環(huán)過程中工作的，因此材料可以反復使用到什么程度是設(shè)計者關(guān)心的、也是形狀記憶合金實用化最突出的問題。如合金在加熱-冷卻循環(huán)中，伴隨著相變溫度的變動；反復形變過程中，相變溫度和形變動作的變化也影響材料的疲勞壽命。因為相變溫度的變動和形變動作的變化可使元件動作溫度失常，形變動作的變化可以使調(diào)節(jié)器的作用力不穩(wěn)定，而材料的疲勞壽命則決定著元件的使用限度。第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五NiTi合金從高溫母相冷卻到通常的馬氏體相變之前，要發(fā)生菱形結(jié)構(gòu)的R相變，使電阻率陡峭增高。在馬氏體相變發(fā)生后，電阻率又急劇降低，形成一個獨特的電阻峰，在反復進行馬氏體相變的熱循環(huán)之后，合金相變溫度將可能發(fā)生變化。見圖3-8，N為熱循環(huán)數(shù)，箭頭所指為相變點位置。由圖可見，熱循環(huán)使Ms-Mf相變溫度區(qū)增大了。圖3-8熱循環(huán)對NiTi合金電阻-溫度曲線的影響(1273K／3.6ks固溶處理)第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

如果對該狀態(tài)的材料進行應(yīng)變量大于20％的深度加工，產(chǎn)生高密度位錯提高σs(滑移形變抗力)，可消除上述影響。采取時效處理使合金形成穩(wěn)定析出物，也可以阻止滑移形變的進行，達到穩(wěn)定相變溫區(qū)的目的，如圖3-9。圖3-9Ti-Ni50.6(at)％合金時效處理后的相變熱循環(huán)(1273K/3.6ks固溶，673K/3.6ks時效)

第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

除了熱循環(huán)的影響外，反復變形(形變循環(huán))下工作的材料同樣存在偽彈性的穩(wěn)定性問題。形變循環(huán)對偽彈性的影響除應(yīng)力大小外，與形變方式也有很強的依存關(guān)系。如果對時效處理材料進行冷加工的綜合處理或“訓練”，可以維持更穩(wěn)定的偽彈性動作，見圖3-10。冷加工與時效的復合處理也可以改善TiNi合金的疲勞壽命。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖3-10形變循環(huán)對TiNi合金偽彈性的影響

(a)固溶處理；(b)、(c)時效處理；(d)冷加工；(e)時效與冷加工復合處理；(f)進行過訓練

第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

近年來在Ti-Ni合金基礎(chǔ)上，加入Nb，Cu，F(xiàn)e，Al，Si，Mo，V，Cr，Mn，Co，Zr，Pb等元素，開發(fā)了Ti-Ni-Cu，Ti-Ni-Nb，Ti-Ni-Pb，Ti-Ni-Fe，Ti-Ni-Cr等新型Ti-Ni合金。上述合金元素對Ti-Ni合金的Ms點有明顯影響，也使As溫度降低，即使偽彈性向低溫發(fā)展。Ti-Ni系合金是最有實用前景的形狀記憶材料，性能優(yōu)良，可靠性好，并且與人體有生物相容性，但成本高，加工困難。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.2.2銅系形狀記憶合金與Ti-Ni合金相比，Cu-Zn-Al制造加工容易，價格便宜，并有良好的記憶性能，相變點可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，見表3-5，不同成分的Cu-Zn-Al合金相變溫度不同。表3-5部分Cu-Zn-Al合金的轉(zhuǎn)變溫度范圍第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

同時，處理工藝對其相變點也有影響。且隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，Cu-Zn-Al合金的Ms和Af點一起升高，見圖3-11。與此不同，Cu-Al-Ni合金的Ms和Af點卻隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢降低，這些影響因素可以用熱循環(huán)過程中位錯的增殖來說明。圖3-11熱循環(huán)對相交溫度的影響

(a)Cu-Zn-Al合金(b)Cu-Al-Ni合金第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

在Cu-Zn-Al合金中，位錯成為馬氏體的形核點，而在Cu-Al-Ni合金中，位錯使DO3型結(jié)構(gòu)的母相的有序度下降。前者由于生成殘留馬氏體，在約103次熱循環(huán)后，已能看到形狀記憶效應(yīng)衰退，而后者由于不生成殘留馬氏體可以期望得到更穩(wěn)定的性能?？紤]到特性變化的原因在于位錯的導入，故為改善熱循環(huán)特性，可采用細化晶粒的辦法提高滑移形變抗力σs，如加入Ti，Mn，V，B及稀土元素。第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

一般銅基合金在Af點以上經(jīng)過最初幾個應(yīng)力循環(huán)后即出現(xiàn)應(yīng)變殘留，在Cu-Zn三元系合金中，對相變不利的<111>方向晶粒滑移形變特別顯著，殘留有相當?shù)膽?yīng)變。第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖3-5(Cu，Ni)3Al合金單晶的溫度-應(yīng)力狀態(tài)圖

對于Cu-Al-Ni合金，見圖3-5，由于母相強度高，滑移變形難以進行，單晶中，在β1β’1相變偽彈性循環(huán)時盡管應(yīng)力很高，回線的形狀卻幾乎不變。但在多晶中，由于難以引起滑移形變，殘留應(yīng)變小則應(yīng)力集中未能緩和，因此變得非常脆。第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Cu-Al-Ni合金由于調(diào)整應(yīng)變不協(xié)調(diào)，滑移形變難以進行，故無論在哪一種形變方式下，多晶的疲勞壽命都比單晶低?？梢酝ㄟ^晶粒細化和加工時效處理來改善疲勞特性。研究表明，Cu-Zn-Al合金通過粉末壓制的方法，可以使疲勞壽命大幅度改善。總之，銅系形狀記憶合金由于熱穩(wěn)定性差，晶界易斷裂，及多晶合金疲勞特性差等弱點，大大限制了其實用化。不過銅基合金的優(yōu)勢也不容忽視。第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.2.3鐵系形狀記憶合金鐵系形狀記憶合金發(fā)展較晚，主要有Fe-Pt，F(xiàn)e-Pd，F(xiàn)e-Ni-Co-Ti，Te-Mn-Si等合金，另外，目前已知高錳鋼和不銹鋼也具有不完全性的形狀記憶效應(yīng)。第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

鐵基形狀記憶合金成本較Ti-Ni系和銅系合金低得多，易于加工，在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。目前的研究集中在Fe-Mn-Si合金上，近年來許多學者在這方面作了大量研究，在鐵基記憶合金中加入Cr，Ni，Co，Ti等合金元素，可改善形狀記憶效應(yīng)。Fe14Mn6Si9Cr5Ni合金的形狀恢復率可達5％，具有實用性。有人對鐵基形狀記憶合金的耐蝕性能作了深入研究，結(jié)果表明：FeMnSiCrNi合金在堿性介質(zhì)中具有較好的耐蝕性，其耐腐蝕性能是不銹鋼的4~5倍，抗晶間腐蝕性也優(yōu)于不銹鋼。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.3形狀記憶材料的應(yīng)用3.3.1工程應(yīng)用形狀記憶材料在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，加緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五60年代初Ti-Ni合金首次被用于海軍飛機液壓系統(tǒng)的接頭，并取得了成功。普通的管接頭由于熱漲冷縮，容易引起泄漏，造成飛行事故。據(jù)統(tǒng)計，全部飛行事故中有1／3是由于液壓系統(tǒng)接頭泄漏而引起的。用形狀記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4％的套管，然后在低溫(Mf以下溫度)將套管擴徑約8％，裝配后，當溫度升到室溫，套管恢復原來的內(nèi)徑，形成緊密的壓合。美國已在噴氣式戰(zhàn)斗機的液壓系統(tǒng)中使用了10多萬個這類接頭，至今未有漏油或破損、脫落等事故。第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

這類管接頭還可用于艦船管道、海底輸油管道的修補，代替在海底難以進行的焊接工藝。據(jù)報導，最近研制的寬滯后Ti-Ni合金(向Ti-Ni合金中加入Nb，或通過變形使As溫度高于室溫)，上述管接頭擴徑、貯存和運輸已不必在液氮冷卻的條件下進行，可以室溫操作，這無疑使形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

形狀記憶合金作緊固件、連接件較其他材料有許多優(yōu)勢。(1)夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；(2)適于不易焊接的接頭；(3)金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；(4)安裝時不需要熟練的技術(shù)。第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

把形狀記憶合金制成的彈簧與普通彈簧安裝在一起，可以制成自控元件。如圖3-12，在高溫(Af以上溫度)和低溫時，形狀記憶合金彈簧由于發(fā)生相變，母相與馬氏體強度不同，使元件向左、右不同方向運動。這種構(gòu)件可以作為暖氣閥門，溫室門窗自動開啟的控制，描筆式記錄器的驅(qū)動，溫度的檢測、驅(qū)動。形狀記憶合金對溫度比雙金屬片敏感得多，可代替雙金屬片用于控制和報警裝置中。圖3-12自控元件原理

第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五1973年，美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用形狀記憶合金在高溫、低溫時發(fā)生相變，產(chǎn)生形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力，實現(xiàn)機械能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換,如圖3-13所示。圖3-13鎳鈦諾爾熱機的結(jié)構(gòu)

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其裝置是一個水平放置的輪子，輪輻是偏心結(jié)構(gòu)，每根輪輻上掛有用Ti-Ni合金制成的U形環(huán)，輪子下的水槽制成兩個半圓，分別裝入冷熱水。當U型環(huán)進入熱水槽時，就突然伸直，產(chǎn)生彈力。這種彈力有一部分沿輪子的切線作用，推動輪子旋轉(zhuǎn)。當輪輻轉(zhuǎn)入冷水槽內(nèi)時，伸直的合金絲又恢復彎曲形狀。盡管這種熱機只產(chǎn)生了0.5w的功率(至1983年功率已達20w)，但發(fā)展前景十分誘人，可以利用這種裝置實現(xiàn)利用海水溫差發(fā)電的夢想。第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.3.2醫(yī)學應(yīng)用醫(yī)學上使用的形狀記憶合金主要是Ti-Ni合金，這種材料對生物體有較好的相容性，可以埋入人體作為移植材料。在生物體內(nèi)部作固定折斷骨架的銷、進行內(nèi)固定接骨的接骨板，由于體內(nèi)溫度使Ti-Ni合金發(fā)生相變。形狀改變，不但能將兩段骨固定住，而且能在相變過程中產(chǎn)生壓力，迫使斷骨很快愈合。另外，假肢的連接、矯正脊柱彎曲的矯正板，都是利用形狀記憶合金治療的實例。形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢

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在內(nèi)科方面，可將細的Ti-Ni絲插入血管，由于體溫使其恢復到母相的