ppt形狀記憶合金

一、形狀記憶效應二、形狀記憶效應的機理(Mechanism)三、相變超彈性(Pseudoelasticity)四、形狀記憶合金材料(SMAMaterials)

五、形狀記憶合金的應用(Applications)六、材料學方面的問題(Problems)第1頁/共40頁形狀記憶效應:1961年美國海軍軍械實驗室首先研究了Ni-Ti合金的形狀記憶效應。在一次試驗中他們將試驗用彎曲的鎳-鈦合金絲拉直后升溫試驗時，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳-鈦合金絲突然又全部恢復到原來彎曲的形狀,而且和原來一模一樣,具有良好的形狀記憶效應。第2頁/共40頁?合金的這種記憶效應是由合金的“相變化”來實現(xiàn)的，隨著溫度的改變，合金的結(jié)構(gòu)從一相轉(zhuǎn)變到另一相。?記憶合金的開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為"神奇的功能材料"。第3頁/共40頁形狀記憶效應第4頁/共40頁形狀記憶效應第5頁/共40頁

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。(1)單程記憶效應第6頁/共40頁（2）雙程記憶效應

某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。第7頁/共40頁（3）全程記憶效應

加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應。第8頁/共40頁三種記憶效應如下圖所示。

目前，已開發(fā)成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。

第9頁/共40頁鋼淬火變硬的現(xiàn)象圖5.1馬氏體相變晶體學模型f.c.c.b.c.c馬氏體相變二、形狀記憶效應的機理第10頁/共40頁馬氏體相變平面示意圖第11頁/共40頁馬氏體相變的基本特征無擴散切變型相變點陣不變平面應變固定取向關(guān)系馬氏體片內(nèi)具有亞結(jié)構(gòu)相變具有可逆性第12頁/共40頁臨界轉(zhuǎn)變溫度?馬氏體相變與其他相變一樣，具有可逆性。當冷卻時，由高溫母相變?yōu)轳R氏體相，稱為冷卻相變，用Ms、Mf分別表示馬氏體相變開始與終了的溫度。?加熱時發(fā)生馬氏體逆變?yōu)槟赶嗟倪^程。該逆相變的起始和終止溫度分別用As與Af表示。第13頁/共40頁馬氏體相變的一些臨界溫度第14頁/共40頁?一般材料的相變溫度滯后（As-Ms）非常大，例如Fe-Ni合金約400℃。各個馬氏體片幾乎在瞬間就達到最終尺寸，一般不會隨溫度降低而再長大。?在記憶合金中，相變滯后程度小，例如Au-47.5%Cd（原子分數(shù)）合金的相變滯后僅為15℃。冷卻過程中形成的馬氏體會隨著溫度變化而繼續(xù)長大或收縮，母相與馬氏體相的界面隨之進行彈性式的推移。第15頁/共40頁

形狀記憶效應與其組織變化有關(guān)，這種組織變化就是馬氏體相變。形狀記憶合金應具備以下三個條件：①馬氏體相變是熱彈性類型的；②馬氏體相變通過孿生(切變)完成，而不是通過滑移產(chǎn)生；③母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)。第16頁/共40頁

由母相中形成馬氏體時，產(chǎn)生一定的應變。顯然，不同取向的馬氏體變體的應變在母相中的方向是不同的。當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應變場，隨變體的長大，應變能不斷增加，變體的長大越來越困難。為降低應變能，在已形成的變體周圍會形成新的變體，新變體的應變方向與已形成的變體的應變場互相抵消或部分抵消。有均勻體積變化，無明顯形狀改變。馬氏體的自適應形成第17頁/共40頁

對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力時，在較小的應力作用下，馬氏體變體以其應變方向與外加應力相適應而再取向。

即變體的應變方向與外加應力方向最接近的變體通過吞并其它應變方向與外加應力不相適應的變體而長大，直至整個樣品內(nèi)的各個不同取向的變體最終轉(zhuǎn)變成一個變體。樣品顯示出宏觀形狀的變化。卸去應力后，變形保持下來。

馬氏體的再取向第18頁/共40頁

只有將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性，也就是在相變中形成的各個馬氏體變體和母相的特定位向的點陣存在嚴格的對應關(guān)系，因此逆相變時，只能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復到原狀。這就是形狀記憶的基本原理。第19頁/共40頁由上述討論可知，具有形狀記憶效應的合金應具備如下條件：①馬氏體相變是熱彈性的；但只是必要條件②馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯；⑦母相和馬氏體均為有序點陣結(jié)構(gòu)；④相變時在晶體學上具有完全可逆性。第20頁/共40頁?必須指出的是：近來開發(fā)的鐵系等少量合金通過非熱彈性馬氏體相變也可顯示形狀記憶效應，因此熱彈性馬氏體并不是具有形狀記憶效應的必要條件。?近年來，在陶瓷材料、高分子材料也發(fā)現(xiàn)了記憶效應。第21頁/共40頁三、相變超彈性

馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生，在高于Ms的某一溫度（Md）以下對合金施加外力引起馬氏體相變所形成的馬氏體稱應力誘發(fā)馬氏體。應力去除后，變形馬氏體又變回該溫度下的穩(wěn)定母相，恢復母相原來形狀，應變消失,這種現(xiàn)象稱超彈或偽彈性第22頁/共40頁?應力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)量為外加應力的函數(shù)，即當施加的外應力增加時，母相轉(zhuǎn)變成馬氏體相的數(shù)量增加，當應力減少時則進行逆相變使母相增多。?外應力對誘發(fā)相變的作用不僅與合金種類有關(guān)，而且受試驗溫度的影響。在Ms以上，某一定溫度以下，應力或形變會導致馬氏體的形成，將此溫度稱為Md溫度。

第23頁/共40頁形狀記憶過程馬氏體自適應形（Ms

–Mf）宏觀均勻變形，無明顯形狀變化馬氏體再取向（Mf以下施加一定限度內(nèi)的應力），有明顯形狀變化馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相，形狀變化消失施加應力馬氏體沿應力方向擇優(yōu)形成（Md以下），有明顯形狀變化卸除應力馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相（Af以上），形狀變化消失超彈性過程第24頁/共40頁四、形狀記憶合金材料

已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只有Ti-Ni系合金和銅系合金。第25頁/共40頁1、Ni-Ti形狀記憶合金

基本特點：具有良好的力學性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕。記憶效應優(yōu)良、生物相容性好等一系列的優(yōu)點。但制造過程較復雜、價格高昂。

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用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放到艙面上以后，在陽光照射下溫度升高，當達到轉(zhuǎn)變溫度時，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球形。第27頁/共40頁

注意：實用成分的TiNi合金在固溶處理后，如果隨后的冷卻不夠快(如爐冷)，就會產(chǎn)生Ti2Ni和Ni3Ti這三個金屬間化合物，由于這兩種相不具有可逆性，因而破壞了形狀記憶效果。需要盡量避免該類相的產(chǎn)生?；鞠啵璗iNi相：第28頁/共40頁?表征材料記憶性能的主要參數(shù)：包括記憶合金隨溫度變化所表現(xiàn)出的形狀回復程度，回復應力，使用中的疲勞壽命，也就是經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應力循環(huán)后記憶特性的衰減情況。此外，相變溫度及正、逆相變的溫度滯后更是關(guān)鍵參數(shù)。?影響記憶特性主要參數(shù)的因素有：合金的成分、成材工藝、熱處理(包括冷、熱加工)條件及其使用情況等。

第29頁/共40頁1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相變溫度降低10℃。2)第三元素:Fe、Co可降低Ms；Cu置換Ni可減少相變滯后，節(jié)約合金成本；Nb使相變滯后明顯增加；開發(fā)的寬滯后記憶合金。3)雜質(zhì)元素:碳、氫、氧等降低Ms。4)時效溫度、時效時間明顯影響相變溫度。(2)影響相變溫度的因素第30頁/共40頁(3)合金制備

?由高純電介鎳與海綿鈦作原料，采用高頻感應爐與自耗爐(電弧熔煉法)或等離子體與電弧熔煉法獲得了TiNi合金鑄錠。?隨后在700~800℃進行熱加工，包括模鍛、擠壓及軋制。絲狀產(chǎn)品可通過冷拔，每次加工率小于20％，為消除加工硬化，冷加工期間可在700-800℃進行多次退火。第31頁/共40頁五、形狀記憶合金的應用(Applications)

形狀記憶合金在工程上的應用很多，最早的應用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、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32頁/共40頁1.工業(yè)上的應用⑴連接件：用作連接件，是形狀記憶合金用量最大的一項用途。連接方法是預先將管接頭內(nèi)徑做成比待接管外徑小4%，在Ms以下馬氏體非常軟，可將接頭擴張插入管子，在高于As的使用溫度下，接頭內(nèi)徑將復原。(a)成型(T>Af)(b)彎曲應變(T<Mf)

(c)插入(T<Mf)

(d)加熱(T>Af工作溫度)

形狀記憶合金鉚接件鉚接示意圖

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利用形狀記憶合金也可以制作成消防報警裝置及電器設備的保安裝置。當發(fā)生火災時，記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動消防報警裝置，達到報警的目的。SMA火災報警器第34頁/共40頁

在航天上，可用形狀記憶合金制作航天用天線，將合金在母相狀態(tài)下焊成拋物面形，在馬氏體狀態(tài)下壓成團，送上太空后,在陽光加熱下又恢復拋物面形。此外，超彈性合金作為機械儲能材料也很有前景。第35頁/共40頁利用超彈性可制作手機天線、眼鏡架、胸衣托架、耳機托架等。第36頁/共40頁用記憶合金制作的眼鏡架。當這種眼鏡架彎曲時，只要將它放入55。C的溫水中，即可恢復到原來的形狀。第37頁/共40頁各種醫(yī)用引導絲和支架MedicalcatheterandStents第38頁/共40頁六、材料學方面的問題形狀記憶合金在應用上還存在不少材料學方面的問題.⑴相變點調(diào)整：相變點與合金種類、成分及熱處理條件有關(guān),尤其對成分非常敏感。如Ti