ppt形狀記憶合金

一、形狀記憶效應(yīng)二、形狀記憶效應(yīng)的機(jī)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(yīng)用(Applications)六、材料學(xué)方面的問題(Problems)第1頁/共40頁形狀記憶效應(yīng):1961年美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室首先研究了Ni-Ti合金的形狀記憶效應(yīng)。在一次試驗(yàn)中他們將試驗(yàn)用彎曲的鎳-鈦合金絲拉直后升溫試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳-鈦合金絲突然又全部恢復(fù)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(yīng)。第2頁/共40頁?合金的這種記憶效應(yīng)是由合金的“相變化”來實(shí)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(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽(yù)為"神奇的功能材料"。第3頁/共40頁形狀記憶效應(yīng)第4頁/共40頁形狀記憶效應(yīng)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(fù)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(yīng)。(1)單程記憶效應(yīng)第6頁/共40頁（2）雙程記憶效應(yīng)

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

加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。第8頁/共40頁三種記憶效應(yīng)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(xué)模型f.c.c.b.c.c馬氏體相變二、形狀記憶效應(yīng)的機(jī)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(kuò)散切變型相變點(diǎn)陣不變平面應(yīng)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(dāng)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(dá)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?jǐn)?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(jìn)行彈性式的推移。第15頁/共40頁

形狀記憶效應(yīng)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(yīng)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(yīng)變。顯然，不同取向的馬氏體變體的應(yīng)變在母相中的方向是不同的。當(dāng)某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應(yīng)變場，隨變體的長大，應(yīng)變能不斷增加，變體的長大越來越困難。為降低應(yīng)變能，在已形成的變體周圍會形成新的變體，新變體的應(yīng)變方向與已形成的變體的應(yīng)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(yīng)形成第17頁/共40頁

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

即變體的應(yīng)變方向與外加應(yīng)力方向最接近的變體通過吞并其它應(yīng)變方向與外加應(yīng)力不相適應(yīng)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(yīng)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(xué)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(diǎn)陣存在嚴(yán)格的對應(yīng)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(fù)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(yīng)的合金應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；④相變時在晶體學(xué)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(yīng)，因此熱彈性馬氏體并不是具有形狀記憶效應(yīng)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(yīng)。第21頁/共40頁三、相變超彈性

馬氏體還可由應(yīng)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(yīng)力誘發(fā)馬氏體。應(yīng)力去除后，變形馬氏體又變回該溫度下的穩(wěn)定母相，恢復(fù)母相原來形狀，應(yīng)變消失,這種現(xiàn)象稱超彈或偽彈性第22頁/共40頁?應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)量為外加應(yīng)力的函數(shù)，即當(dāng)施加的外應(yīng)力增加時，母相轉(zhuǎn)變成馬氏體相的數(shù)量增加，當(dāng)應(yīng)力減少時則進(jìn)行逆相變使母相增多。?外應(yīng)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(yàn)溫度的影響。在Ms以上，某一定溫度以下，應(yīng)力或形變會導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力馬氏體沿應(yīng)力方向擇優(yōu)形成（Md以下），有明顯形狀變化卸除應(yīng)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(shí)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(diǎn)：具有良好的力學(xué)性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕。記憶效應(yīng)優(yōu)良、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。但制造過程較復(fù)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(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)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(dāng)達(dá)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(shí)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。基本相－TiNi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(fù)程度，回復(fù)應(yīng)力，使用中的疲勞壽命，也就是經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應(yīng)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?zhàn)髟希捎酶哳l感應(yīng)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(jìn)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(jìn)行多次退火。第31頁/共40頁五、形狀記憶合金的應(yīng)用(Applications)

形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，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(yīng)用⑴連接件：用作連接件，是形狀記憶合金用量最大的一項(xiàng)用途。連接方法是預(yù)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(kuò)張插入管子，在高于As的使用溫度下，接頭內(nèi)徑將復(fù)原。(a)成型(T>Af)(b)彎曲應(yīng)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(shè)備的保安裝置。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動消防報警裝置，達(dá)到報警的目的。SMA火災(zāi)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(tuán)，送上太空后,在陽光加熱下又恢復(fù)拋物面形。此外，超彈性合金作為機(jī)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(jī)天線、眼鏡架、胸衣托架、耳機(jī)托架等。第36頁/共40頁用記憶合金制作的眼鏡架。當(dāng)這種眼鏡架彎曲時，只要將它放入55。C的溫水中，即可恢復(fù)到原來的形狀。第37頁/共40頁各種醫(yī)用引導(dǎo)絲和支架MedicalcatheterandStents第38頁/共40頁六、材料學(xué)方面的問題形狀記憶合金在應(yīng)用上還存在不少材料學(xué)方面的問題.⑴相變點(diǎn)調(diào)整：相變點(diǎn)與合金種類、成分及熱處理?xiàng)l件有關(guān),尤其對成分非常敏感。如Ti