形狀記憶合金講稿

形狀記憶合金一、引言金屬具有記憶能力，乍聽起來令人不可思議。然而，人們確已獲得了這種具有“記憶能力〞的金屬(ShapeMemeoryAlloy)。人們把SMA合金做成花、鳥、魚、蟲等各種造型，只要浸入不太熱的水中，一瞬間，花開放，鳥展翅，魚擺尾，蟲蠕動，并且栩栩如生，真如魔術(shù)般使人驚嘆，這些都是形狀記憶合金特異功能的顯示。到目前為止，人們對形狀記憶效應(yīng)的物理本質(zhì)和各種影響因素已經(jīng)有了較為清晰的認(rèn)識，形狀記憶合金已被確認(rèn)為一種熱驅(qū)動的功能材料，人們利用其形狀記憶效應(yīng)，在儀器儀表、電器、自動控制、汽車、航空航天、醫(yī)療、生物工程及機(jī)器人等領(lǐng)域之中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。二、形狀記憶合金的開展形狀記憶效應(yīng)源自材料中發(fā)生的馬氏體相變。馬氏體相變最初是由德國金屬學(xué)家Martens在鋼中發(fā)現(xiàn)。1938年，美國的格里奈哥(Greniger)和穆拉迪安在Cu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變；隨后，俄羅斯的庫究莫夫?qū)@種行為進(jìn)行了研究。他們的研究在當(dāng)時并沒有受到世界的重視。1951年美國的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應(yīng)，隨后，在InTi合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。這些合金價格昂貴，難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，人們開始尋找本錢低廉的形狀記憶合金。低本錢形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的。1962年，美國海軍軍械研究所將NiTi合金作為對溫度敏感的振動衰減合金加以研究，在討論該項研究經(jīng)費(fèi)分配時，某一成員用手將這種材料制成的細(xì)絲一端彎曲，然后在點(diǎn)燃手中雪茄時，突然發(fā)現(xiàn)靠近火焰局部的細(xì)絲伸直了。1963年，軍械研究所宣布在TiNi合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。由于TiNi合金具有強(qiáng)度高、塑性大、耐腐蝕件好、本錢相對低廉等許多特點(diǎn)而引起極大關(guān)注，人們開始考慮合金形狀記憶效應(yīng)的廣泛應(yīng)用。1970年人們又在本錢更為低廉的CuAlNi合金中也發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能夠產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性。以此為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，如表所示?，F(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)彈性材料，甚至陶瓷，都可具有形狀記憶的功能。具有完全形狀記憶效應(yīng)合金的成分范圍和Ms(馬氏體相變開始溫度)點(diǎn)合金成分Ms點(diǎn)/℃合金成分Ms點(diǎn)/℃AgCd11~49at%Cd-190~-50InTi18~23at%Ti50~100AuCd46.5~50at%Cd30~100NiAl36~38at%Al-100~100CuAlNi14~14.5at%Al,3~4.5at%Ni-140~100TiNi49`~51at%Ni-50~100CuAuZn23~28at%Au,45~47at%Zn-150~100FePt~25at%Pt~-130CuSn15at%Sn-120~30FePd~30at%Pd~-100CuZn38.5~41.5at%-180~-10MoCu5~35at%Cu-250~180三、形狀記憶合金的原理形狀記憶效應(yīng)是指具有一定形狀的固體材料(通常是具有熱彈性馬氏體相變的材料)，在某一低溫狀態(tài)下(處于馬氏體狀態(tài))進(jìn)行一定限度的塑性變形后，通過加熱到某一溫度(通常是指該材料馬氏體消失溫度Mf)時，材料完全恢復(fù)到變形前的初始形狀。具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料稱為形狀記憶合金。形狀記憶效應(yīng)與材料中的馬氏體相變密切相關(guān)。要了解形狀效應(yīng)的原理，首先應(yīng)該了解馬氏體相變。3.1、熱彈性馬氏體相變鋼在高溫奧氏體相區(qū)淬火時，原來的面心立方點(diǎn)陣的奧氏體晶粒內(nèi)以原子無擴(kuò)散形式轉(zhuǎn)變成體心立方結(jié)構(gòu)，這就是鋼的馬氏體相變。通常把馬氏體開始相變開始和相變結(jié)束的溫度分別表示為Ms和Mf，而把馬氏體逆相變(轉(zhuǎn)變成奧氏體)的溫度分別表示為As和Af。馬氏體相和母相化學(xué)自由能差隨溫度變化與馬氏體相變的關(guān)系為使P(母相)-M(馬氏體相)相變產(chǎn)生，M相的化學(xué)自由能必須低于P相，但相變還需要相變應(yīng)變能、界面能等多余的非化學(xué)自由能，所以如果兩相之間的化學(xué)自由能差不超過其非化學(xué)自由能，相變就不能開始，也就是說相變需要驅(qū)動力，如果不過冷到適當(dāng)?shù)陀赥0(P相和M相化學(xué)自由能到達(dá)平衡的溫度)的溫度Ms，相變就不能進(jìn)行，而且，逆相變也需要驅(qū)動力，必須過熱到適當(dāng)高于T0的溫度As。To和Ms之差稱為過冷廢，鋼鐵馬氏體相變的過冷度為200℃左右，而形狀記憶合金的過冷度為5-30℃馬氏體相和母相化學(xué)自由能差隨溫度變化與馬氏體相變的關(guān)系在低于Ms溫度下，在馬氏體片形成以后，界面上的彈性變形是隨著馬氏體片長大而增大的。當(dāng)長大到一定程度后，這種彈性變形能及共格界面能等能量消耗的增加到與相變的化學(xué)自由能的減少相等時，馬氏體和母相到達(dá)了一種熱彈性平衡狀態(tài)，馬氏體便停止長大。這種熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)之間的平衡狀態(tài)就是熱彈性這一名稱的由來。然而，此時形變并未超過彈性極限，假設(shè)溫度繼續(xù)下降，那么因馬氏體相變驅(qū)動力增加，馬氏體片又繼續(xù)長大。此時出現(xiàn)新的馬氏體片長大也是可能的。當(dāng)溫度升高使相變驅(qū)動力減小時，馬氏體片便會收縮，故稱其為熱彈性馬氏體。相變稱為熱彈性馬氏體相變。與此相反，不隨溫度變化長大或縮小的馬氏體那么叫做非熱彈性馬氏體。CuAlNi合金加熱CuAlNi合金加熱過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體縮小)CuAlNi合金冷卻過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體長大)3.2、形狀記憶效應(yīng)原理形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形后，經(jīng)過加熱到某一溫度之上，能夠恢復(fù)變形，其實(shí)質(zhì)是熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金低溫相為馬氏體，柔軟且易變形；高溫相為奧氏體(母相)，比擬硬。冷卻過程中，母相會轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶馬氏體，該馬氏體在外應(yīng)力下容易變形成某一特定形狀；加熱時，已發(fā)生形變的馬氏體會回到原來的奧氏體狀態(tài)。這就是宏觀的形狀記憶現(xiàn)象，過程如下圖。呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)過程的示意圖根據(jù)形狀記憶效應(yīng)引起的形狀恢復(fù)是加熱到Af點(diǎn)以上時才完結(jié)的這一事實(shí)可以推測，形狀恢復(fù)驅(qū)動力就是逆相變時母相和馬氏體相之間的自由能差。但是，并不是一旦發(fā)生了逆相變，試樣形狀總能完全得到恢復(fù)。為了使形狀恢復(fù)以完全可逆的形式進(jìn)行，需要具備以下條件呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)過程的示意圖(1)馬氏體相變是熱彈性；(2)母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；(3)馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)只能由孿晶和層錯組成；(4)馬氏體相變在晶體學(xué)上是可逆的。出現(xiàn)熱彈馬氏體相變的條件是母相與馬氏體的比容差小，母相的彈性極限高，以保證不破壞母相與新相之間的共格聯(lián)系；母相有序化程度高，原子排列規(guī)律性強(qiáng)，共格性容易維持。因而熱彈性馬氏體相變確保了新相在加熱條件下容易向母相轉(zhuǎn)變。馬氏體屬于對稱性低的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，面母相晶體為對稱性較高的立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并且大都是有序的。有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)使母相的晶體位向自動得到保存。兩相之間的點(diǎn)陣對應(yīng)關(guān)系單一，且相變時點(diǎn)陣應(yīng)變非常小，這樣一來，逆相變時必然選取原位向的母相；而且有序化材料有較高的彈性極限，熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的小尺度畸變不會超過彈性極限，就會使逆相變過程中母相和馬氏體界面保持彈性共格(即兩相界面上的原子排列相近)，為逆相變時重新構(gòu)成原母相結(jié)構(gòu)提供有利條件。如果馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)是孿晶或?qū)渝e，那么相鄰的不同取向的馬氏體之間將呈孿晶關(guān)系。在外力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變，得到的將是擇優(yōu)取向的馬氏體，通過孿晶界面的移動，使某一取向的馬氏體長大，而使其它不利取向的馬氏體縮小。這保證了馬氏體變形時不會出現(xiàn)太多的母相等效晶體位向。而且由于馬氏體晶體的對稱性低，因此逆相變時馬氏體中只形成幾個母相的等效晶體位向，甚至只形成一個母相的原來位向；并且，馬氏體和母相之間具有特定的對應(yīng)關(guān)系，只有特定取向的母相晶核才能不斷長大，所以形成單一母相原來位向的傾向很大，使馬氏體完全恢復(fù)了原來母相的晶體，宏觀變形也完全回復(fù)。所謂晶體學(xué)上相變可逆性，是指通過逆相變不僅在晶體結(jié)構(gòu)上而且在晶體位向上都能恢復(fù)到相變前的母相狀態(tài)。而相變晶體學(xué)上的可逆性可通過有序點(diǎn)陣的形成自動得到保障。因而，晶體學(xué)上的可逆性保證逆相變后形成有序性很高的原母相晶體，宏觀變形也完全恢復(fù)。以上條件是根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征而提出，現(xiàn)在隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。如Fe-Mn-Si合金馬氏體相變是半熱彈性的。3.3、相變偽彈性和超彈性溫度的升降可以引起熱彈馬氏體消長，外加應(yīng)力同樣也可以引起馬氏體消長。這樣形成的馬氏體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，隨應(yīng)力增加或減小，馬氏體也相應(yīng)長大或縮小。Af溫度以上的馬氏體只在應(yīng)力作用下穩(wěn)定，假設(shè)合金在Af以上進(jìn)行拉伸，應(yīng)力除去后，由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體當(dāng)即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的母相，相變引起的變形即行消失。這種不通過加熱即恢復(fù)到原先形狀的相變，看起來像彈性變形，但其應(yīng)力—應(yīng)變曲線是非線性的，它與傳統(tǒng)材料的彈性本質(zhì)不同，因此稱為相變偽彈性，當(dāng)其應(yīng)變完全恢復(fù)時稱為相變超彈性。偽彈性應(yīng)力應(yīng)變示意圖偽彈性與一般的彈性變形無關(guān)，僅與應(yīng)力誘發(fā)相變和熱彈性相變有關(guān)。在某一溫度下(Af＜T)施加應(yīng)力的過程中，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。圖中AB段代表馬氏體相的純粹彈性變形。B點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力是應(yīng)力誘發(fā)馬氏體開始形成的最小應(yīng)力。到C點(diǎn)相變結(jié)束。BC段的斜率遠(yuǎn)小于AB段，說明相變?nèi)菀走M(jìn)行：CD段表示相變結(jié)束后在應(yīng)力作用下馬氏體發(fā)生彈性變形。在D點(diǎn)馬氏體開始屈服并發(fā)生塑性變形直到E點(diǎn)斷裂。如果在D點(diǎn)之前應(yīng)力被取消，例如在點(diǎn)C’，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣與，那么通過幾步應(yīng)變可恢復(fù)：首先發(fā)生馬氏體的彈性恢復(fù)，如圖中的C’F段所表示。F點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力是卸載過程中應(yīng)力誘發(fā)馬氏體能夠存在的最大應(yīng)力，在該點(diǎn)開始發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆相變，隨后馬氏體量不斷減少直到奧氏體完全恢復(fù)(G點(diǎn))，即FG段表示馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)換后引起的應(yīng)變恢復(fù)，GH段表示奧氏體的彈性恢復(fù)。偽彈性應(yīng)力應(yīng)變示意圖形狀記憶效應(yīng)與偽彈性產(chǎn)生條件示意圖就形狀記憶而言，試樣在As點(diǎn)以下受到的應(yīng)變—且加熱到Af點(diǎn)以上即可消失；就相變偽彈性而言，在Af點(diǎn)以上試樣受到的應(yīng)變一旦卸載即可消失。這兩種形狀恢復(fù)的起因都在于逆相變，因此本質(zhì)上兩者是同一現(xiàn)象，只不過誘發(fā)逆相變的方法不同而已。呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的絕大局部合金也呈現(xiàn)相變偽彈性效應(yīng)。對于同一成分的形狀記憶合金，由于變形溫度和合金的最初狀態(tài)(馬氏體或母相)的不同，合金出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)或偽彈性取決于合金的馬氏體可逆轉(zhuǎn)變開始溫度As、結(jié)束溫度Af、應(yīng)力作用溫度和變形溫度，如下圖。正斜率直線表示誘發(fā)馬氏體的臨界應(yīng)力，負(fù)斜率直線(A或B)表示臨界滑移應(yīng)力。由圖可以定性判斷，如果變形臨界應(yīng)力低于B線，發(fā)生完全滑移變形，不出現(xiàn)偽彈性；如果變形臨界應(yīng)力有A線那么高，那么當(dāng)應(yīng)力尚缺乏以產(chǎn)生滑移變形時就出現(xiàn)偽彈性，在劃有斜線的應(yīng)力—溫度范圍內(nèi)能產(chǎn)生相變偽彈性效應(yīng)。而且，在Ms以下溫度對合金進(jìn)行變形，只產(chǎn)生形狀記憶；在Af以上溫度對合金施加應(yīng)力，只出現(xiàn)偽彈性。形狀記憶效應(yīng)與偽彈性產(chǎn)生條件示意圖四、形狀記憶合金的分類4.1、合金成分呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金，其根本合金系就有10種以上，如果把相互組合的合金或者添加適當(dāng)元素的合金都算在內(nèi)，那么有100種以上。但是，其中得到實(shí)用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基合金。其余合金那么因?yàn)橛行┗瘜W(xué)成分不是常用元素而導(dǎo)致價格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使用，因而不適于工業(yè)生產(chǎn)。TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料。TiNi合金由于強(qiáng)度高、塑性大、耐腐蝕性好、穩(wěn)定性好，尤其是特殊的生物相容性，得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是其它形狀記憶合金所不能替代的，其主要性能見下表。為了使形狀記憶合金在廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)性是一個重要因素。銅基合金的價格僅為TiNi合金的l/10，因而人們希望用它作為TiNi合金的替代品，其中研究最多的是CuAINi合金和CuZnAl合金。但是，銅基合金的記憶性能、耐性能、力學(xué)性能等比TiNi合金差，如表所示，因此，象驅(qū)動器的開關(guān)等要求反復(fù)使用次數(shù)多，性能可靠的用途上幾乎都使用TiNi合金。相反，性能要求不那么高、反復(fù)使用次數(shù)也少，特別是要求降低本錢的情況下才考慮使用Cu基合全。TiNi合金與CuZnAl合金性能比照合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復(fù)應(yīng)變最大8%最大4%恢復(fù)應(yīng)力最大400MPa最大200MPa循環(huán)壽命105(ε=0.02)107(ε=0.005)102(ε=0.02)103(ε=0.005)耐蝕性良好不良，有應(yīng)力腐蝕破壞加工性不良不太好記憶處理較易相當(dāng)難鐵基形狀記憶合金開展較晚，早期的FePt和FePd合金由于價格昂貴未能得到應(yīng)用，直到1982年有關(guān)Fe-Mn-Si記憶合金的研究論文的發(fā)表，引起了材料研究工作者極大興趣，目前主要有Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金。另外，已經(jīng)高錳鋼和不銹鋼也具有不完全的形狀記憶效應(yīng)。與TiNi合金和銅基合金相比，F(xiàn)e基合金價格低，加工性能好，力學(xué)強(qiáng)度高，在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其形狀記憶效應(yīng)不是很好，如Fe-Ni-Co-Ti合金，預(yù)變形超過2%后形狀記憶效應(yīng)下降到40%以下。4.2、形狀記憶效應(yīng)形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)按形狀恢復(fù)情況可以分為單程形狀記憶效應(yīng)、雙程形狀記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)三類。單程記憶效應(yīng)：將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻或加應(yīng)力，使之發(fā)生馬氏體相變，然后對馬氏體任意變形，再重新加熱至As點(diǎn)以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度升至Af點(diǎn)，馬氏體完全消失，材料恢復(fù)母相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀。雙程記憶效應(yīng)：假設(shè)加熱時，恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)上下溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程記憶效應(yīng)，又稱可逆記憶效應(yīng)。全程形狀記憶效應(yīng)：這是一種加熱時恢復(fù)高溫形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嗟默F(xiàn)象。這種現(xiàn)象只有在Ni的原子含量不小于50.5％且又經(jīng)過時效的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。單程、雙程及其全程記憶效應(yīng)示意圖單程、雙程及其全程記憶效應(yīng)示意圖以下圖表示具有全程記憶效應(yīng)的NiTi合金試樣在加熱冷卻時的形狀變化情況。照片是把受過強(qiáng)迫時效的四條薄帶在其中心位置上以45度的夾角捆扎在一起拍攝而成。加a所示，在約100℃開水中呈現(xiàn)具有凸透鏡曲率的近圓形。從開水中緩慢提起來時自行變化成b形狀。當(dāng)從熱水中完全提上來且于室溫下時變化成近直線形狀c。ac之間的自發(fā)形狀變化是由馬氏體的相變導(dǎo)致。接著浸泡在冰水中時，在下部開始呈現(xiàn)凸透鏡曲率，變化成d形狀。又在干冰-酒精液中冷卻到約-40℃時變化成e形狀，同a相比完全是其相反的形狀，然后再次返回到開水中時立刻變化成f形狀，其形狀與a完全相同。TiNi合金的全程記憶效應(yīng)TiNi合金的全程記憶效應(yīng)五、形狀記憶合金的制備和使用5.1、形狀記憶處理形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，然后進(jìn)行熱軋、模鍛、擠壓，然后進(jìn)行冷加工。制備合金錠時合金元素的配比以及雜質(zhì)元素的控制十分重要，O、N、C等元素都希望能得到嚴(yán)格控制。為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給定形狀。因此形狀記憶處理是實(shí)現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺，至關(guān)重要的一環(huán)。為此要進(jìn)行一定的熱處理(形狀記憶處理)。TiNi合金單程形狀記憶處理方法有三種：①中溫處理，②低溫處理，②時效處理。中溫處理是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的合金成形成給定形狀，在400-500℃溫度下保溫兒分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法。此方法由于工藝簡單而被廣泛采用。低溫處理是在高于800℃的溫度下保溫后進(jìn)行快冷使合金材料具有退火狀態(tài)組織，然后在室溫下成形成給定形狀，在200-300℃的低溫下保溫幾分鐘到幾十分鐘，以記憶其形狀進(jìn)行形狀的方法。由于在完全退火的軟狀態(tài)下進(jìn)行加工成形，有利于使合金記住復(fù)雜形狀或者曲率很小的形狀。但低溫處理材料的形狀恢復(fù)特性低于中溫處理的材料。時效處理是一種在800-1000℃溫度下固溶處理后進(jìn)行淬火，然后在400℃的溫度下進(jìn)行幾小時時效處理的方法，這只對Ni含量高于50.5at％的富Ni合金有效。TiNi合金獲得雙向記憶效應(yīng)的方法：實(shí)驗(yàn)說明，之所以有雙程記憶效應(yīng)是因?yàn)楹辖鹬写嬖谥较蛐缘膽?yīng)力場或晶體缺陷。相變時，馬氏體容易在這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇尤生長。因此可對合金進(jìn)行記憶訓(xùn)練。首先如同單向記憶那樣獲得記憶效應(yīng)，但此時僅可以記憶高溫相的形狀；隨后在低于Ms溫度，根據(jù)所需要的形狀進(jìn)行一定限度的可以恢復(fù)的變形；加熱到As以上溫度，試樣恢復(fù)到高溫態(tài)形狀后，降低到Ms以下，再變形試件使之成為低溫所需要的形狀；如此反復(fù)屢次以后，就可獲得雙向記憶效應(yīng)。這種記憶訓(xùn)練實(shí)際就是強(qiáng)制變形。TiNi合金獲得全程記憶效應(yīng)的方法：全程記憶效應(yīng)的出現(xiàn)是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致，應(yīng)力場控制了馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆相變按照固定路徑進(jìn)行。因此全程記憶處理的關(guān)鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇適宜的約束時效工藝。5.2、形狀記憶合金使用中的問題TiNi形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀記憶合金是一種低溫下變形后，一旦受熱就回到原狀的合金，但是并不是說無論承受怎樣的變形只要受熱就都可以回到原狀。變形方式不同，有時可殘留永久變形。右圖是在低于Ms點(diǎn)的溫度下TiNi合金的典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線因，當(dāng)合金承受變形時，彈性變形①后接著產(chǎn)生屈服，應(yīng)力值幾乎恒定不變．這一平臺局部②的變形不是滑移變形，而是馬氏體孿生導(dǎo)致的變形，表現(xiàn)上和通常的塑性變形相同。當(dāng)從平臺局部②的某一點(diǎn)卸載時，只有彈性變形局部的應(yīng)變③得到恢復(fù)，而表觀塑性應(yīng)變③那么殘留下來。這種表現(xiàn)塑性應(yīng)變③在合金受熱時可完全恢復(fù)到原狀?？墒牵?dāng)應(yīng)變增大時，應(yīng)力脫離平臺局部②逐漸增加，開始產(chǎn)生加工硬化。當(dāng)加工硬化到一定程度，從該狀態(tài)④卸載時，應(yīng)變⑤殘留下來，這次即使加熱到相變點(diǎn)以上也回不到應(yīng)變?yōu)榱愕臓顟B(tài)⑥。也就是說，只呈現(xiàn)不完全形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變進(jìn)—步變大時，應(yīng)力增加逐漸緩侵，直到斷裂，在加工硬化足夠大的狀態(tài)⑦幾乎不呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。TiNi形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線因此，為了保持良好的形狀記憶特性有必要使變形應(yīng)變量不超過一定值。適宜的應(yīng)變量決定于熱處理、循環(huán)使用次數(shù)、載荷、元件的形狀和尺寸等許多因素，不能一概而論，大致標(biāo)準(zhǔn)是，當(dāng)循環(huán)使用濃數(shù)少時，TiNi合金約為6％，CuZnAl合金約為2％，而當(dāng)循環(huán)使用次數(shù)多時分別低于2％和0.5％即可。和過應(yīng)變同樣的理由，要防止過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要到達(dá)比Af點(diǎn)高很多的溫度。線圈過熱，那么相變引起的形狀恢復(fù)應(yīng)力超過絲材本身的屈服應(yīng)力，與變形應(yīng)變過大時的情況同樣，合金的形狀記憶特性變壞。而且將合金長時間置于高溫時，會產(chǎn)生不完全記作該溫度下形狀的現(xiàn)象，不能回到正確的原始形狀，即記憶力減退。當(dāng)TiNi合金和CuZnAl合金分別長時間置于250℃和90℃以上的溫度時，不管載荷大小如何，也都出現(xiàn)不良影響。六、形狀記憶合金的應(yīng)用NiTI形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖6.1、NiTI形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖6.1.1、宇航天線宇航天線由NiTi合金絲制成，母相硬度較高，在這種狀態(tài)下制成天線如圖中所示。將天線冷至低溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。NiTi合金的馬氏體硬度較低，將T1Ni合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，團(tuán)狀天線被彈出，在陽光照射下，其溫度升高到As以上，此時團(tuán)狀天線自動張開，恢復(fù)到原來的形狀。溫度升高到Af溫度以上那么完全恢復(fù)到原來的形狀，向宇宙空間撐開。美國國家航空和宇航局根據(jù)達(dá)一想法研究了安放在月球外表上的拋物面天線組件。6.1.2、連接件和緊固件形狀記憶管接頭形狀記憶合金最先得到實(shí)用的是管接頭。管接頭采甩相變點(diǎn)比室穩(wěn)低得多的、約-150℃的TiNiFe合金，把內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4％。當(dāng)進(jìn)行連接操作時，首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中，在低溫保溫狀態(tài)下把錐形芯模壓入管接頭內(nèi)壁，使內(nèi)徑擴(kuò)大約7-8%。擴(kuò)徑后的管接頭用適宜的保溫材料保持低溫并運(yùn)到待連接的地方。把被接管從管接頭兩側(cè)插入，去掉保溫材料，管接頭溫度上升到室溫，內(nèi)徑恢復(fù)到擴(kuò)徑前狀態(tài)，把被按管牢牢箍緊。這種管接頭在F—14噴氣戰(zhàn)斗機(jī)上使用了10萬個以上，從未出現(xiàn)過漏油等事故。采用形狀記憶合金的管接頭，除這種高可靠性外還有其他優(yōu)點(diǎn)，因不需熔焊那樣的高溫高熱，故不會損害周圍材料，而正在低溫下易拆卸，便于進(jìn)行檢修。這類管接頭在核潛艇和水上快艇的管路連接上得到應(yīng)用，而150mm大口徑管接頭在海底輸油管道的修補(bǔ)工程上得到應(yīng)用。形狀記憶管接頭(a)開口(b)拉直(c)(a)開口(b)拉直(c)插入(d)加熱形狀記憶緊固螺釘6.1.3、智能機(jī)器人形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控制器等應(yīng)用在智能機(jī)器人中。電子顯微鏡樣品移動裝置形狀記憶驅(qū)動器通過適當(dāng)加熱和控制，可完成往返或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兼之具有感溫功能，所以能有效地用作熱敏兼驅(qū)動的元件。形狀記憶驅(qū)動器的第—個特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化，這一點(diǎn)從動作機(jī)構(gòu)簡單、元件為單一合金構(gòu)成等特征來看，是理所當(dāng)然的。實(shí)際上已經(jīng)試制出可動行程達(dá)6mm的微型機(jī)械手。這種機(jī)械手是把直徑0.2mmTiNi合金絲記憶處理成圓弧形狀后包覆在硅橡狡中而做成的，硅橡膠起偏動彈簧作用。形狀記憶驅(qū)動器的第二個特點(diǎn)是元件的動作不受溫度以外的環(huán)境或氣氛的影響。因此，在真空或水中等環(huán)境條件惡劣的地方也照樣可以安裝，而且不象發(fā)動機(jī)或油、氣壓缸那樣需要進(jìn)行可動密封，從這一點(diǎn)來看，形狀記憶驅(qū)動器還可在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動裝置上、化學(xué)設(shè)備的反響裝置內(nèi)以及原子反響堆中的驅(qū)動裝置上的應(yīng)用大有前途。電子顯微鏡樣品移動裝置靠形狀記憶合金動作的微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖形狀記憶控制器能使機(jī)器人微型化。形狀記憶控制機(jī)構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控制機(jī)構(gòu)相比，—個形狀記憶元什就可起到傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中傳感、驅(qū)動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。因此，形比記憶聯(lián)動器適合結(jié)構(gòu)小型化?？啃螤钣洃浐辖饎幼鞯奈⑿蜋C(jī)器人結(jié)構(gòu)圖右圖表示具有相當(dāng)于肩、肘、腕、指等的5維自由度的微型機(jī)器人試制品。手指和手腕是靠TiNi合金線圈的伸縮，而肘部和肩是靠直線狀TiNi合金絲的伸縮，分別實(shí)現(xiàn)開閉和屈曲動作。每個元件通過控制電流來調(diào)節(jié)其位置和動作速度。這種機(jī)器人不但結(jié)構(gòu)小巧玲現(xiàn)，而動作柔軟自如也是一個很重要的特點(diǎn)。這是因?yàn)楹驮刂屏?電流)相對應(yīng)的被控制量不是位置而是力(形狀恢復(fù)力)，其作用接近人體肌肉。這些特性適合于處理抓盛水紙杯之類的柔軟物體。6.1.4、能量轉(zhuǎn)換熱機(jī)形狀記憶合金熱機(jī)原理形狀記憶合金可在溫水和冷水的溫差產(chǎn)生強(qiáng)大力，可望在溫排水、地?zé)?、太陽能等低能熱轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的熱機(jī)上獲得應(yīng)用。用形狀記憶合金制造的能量轉(zhuǎn)換裝置助工作原理本身很簡單。采用右圖所示的裝置，首先在低于Af點(diǎn)的溫度下把重W的重物掛在形狀記憶線圈上。在低溫下重物力大于絲材屈服力，在自由狀態(tài)下絲材伸長到絲材屈服力和重物力到達(dá)平衡，即某種程度的加工硬化使合金屈服力增加為止。然后把線圈加熱到Af點(diǎn)以上，在溫度上升使合金產(chǎn)生形狀恢復(fù)的狀態(tài)下，形狀恢復(fù)力大于重物重力，絲材在保存合金彈性應(yīng)變的狀態(tài)下產(chǎn)生收縮L，提起重物，這時做了WgL的功。在重物被提上去以后換上較輕的物體，當(dāng)降低溫度重物降下來后又換上較重的重物，然后再次升高溫度把重物提上去，這樣就可形成熱機(jī)循環(huán)。形狀記憶合金熱機(jī)原理用形狀記憶合金制備的渦輪形熱機(jī)形狀記憶合金制備的偏心曲柄型熱機(jī)利用形狀記憶合金可制成偏心曲柄型熱機(jī)，其工作原理與汽油機(jī)、柴油機(jī)等活塞式發(fā)動機(jī)相同。形狀記憶元件安裝在互偏中心軸的輪子和曲柄之間，溫差導(dǎo)致的元件伸縮就象活塞式發(fā)動機(jī)的活塞一樣，作往返動作，使輪子轉(zhuǎn)動。形狀記憶元件是用TiNi合金條做成，彎成U形后安裝在以固定軸為中心轉(zhuǎn)動的曲柄和以偏心軸為中心轉(zhuǎn)動的驅(qū)動輪環(huán)之間。U形TiNi條在溫水中恢復(fù)成直線形狀，使輪環(huán)轉(zhuǎn)動，同時靠剩余力把冷水中的TiNi條彎成U形。當(dāng)輪環(huán)轉(zhuǎn)動，冷水槽中的TiNi條移到溫水中時，又由U形恢復(fù)到直線形狀，同時溫水槽中的TiNi條移到冷水槽中后變軟，彎成U形，這樣連續(xù)不斷地進(jìn)行轉(zhuǎn)動。裝有20相直徑1.2mm、長150mmTiNi合金條的熱機(jī)在用太陽能加熱的48度溫水和24度冷水之間，以60-80r/min的轉(zhuǎn)速和0.2W以上的輸出功率運(yùn)轉(zhuǎn)了106次，未發(fā)現(xiàn)TiNi合金條特性有任何下降。用形狀記憶合金制備的渦輪形熱機(jī)形狀記憶合金制備的偏心曲柄型熱機(jī)渦輪型熱機(jī)就是通過機(jī)械連接的差動滑輪把形狀記憶元件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)比作為轉(zhuǎn)動能量輸出的熱機(jī)。在這類熱機(jī)中，TINi合金線圈通過空轉(zhuǎn)輪在溫水槽、冷水槽和差動滑輪之間穿來引去，形成連續(xù)環(huán)路。溫水側(cè)線圈的收縮使差動滑輪受到很大的轉(zhuǎn)矩，使冷水例線圈產(chǎn)生伸長松弛，從而差動滑輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。兩者對滑輪的轉(zhuǎn)矩差便成為熱機(jī)輸出功率。用適當(dāng)轉(zhuǎn)速比的齒輪連接差動滑輪。熱機(jī)采用絲材直徑0.5mm的TiNi合金線圈，轉(zhuǎn)速達(dá)750r/min，輸出功率為0.4-0.5W。6.1.5、保險器和繼電器用形狀記憶合金制造的溫度保險器不同于熔斷保險絲，可產(chǎn)生很強(qiáng)的力拉斷接點(diǎn)，所以消弧效應(yīng)明顯，適合于作大功率、高電壓用保險器。用形狀記憶合金制造的電接觸器的接觸棒如下圖，當(dāng)用冷卻劑噴到接觸棒上時，作開關(guān)的記憶合金與電路觸點(diǎn)并無接觸(斷路)，但假設(shè)將棒加熱到室溫時，那么合金棒因形狀記憶改變形狀，產(chǎn)生了與電路觸點(diǎn)接觸(通路)，而且是強(qiáng)有力的接觸。所以這種接觸器可通過控制溫度使其自動斷路或通路。同時還可以遠(yuǎn)距離操作，因此廣泛用于接觸器很小或操作人員難以接近的場合。這種裝置用的形狀記億材料可為銅基合金。形狀記憶合金形狀記憶合金溫度保險器形狀記憶合金制作的電接觸器形狀記憶合金制作的電接觸器6.2、醫(yī)學(xué)應(yīng)用6.2.1、TiNi合金的生物相容性通常把金屬埋植在人體內(nèi)時，如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它周圍的組織和細(xì)胞會發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥充血和血循環(huán)障礙，進(jìn)而壞死人體組織；如果它是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細(xì)胞分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這種纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織中能夠穩(wěn)定存在。Castleman等人用TiNi合金(Ti-49at％Ni)試制接骨板埋植在20只小獵犬股骨上，時間最長達(dá)17個月，通過生物組織學(xué)分析利中子激活分析研究了埋植周圍肌肉、骨和內(nèi)臟的生物組織反響。覆膜形狀：接骨板外表都覆蓋著一層纖維結(jié)締組織覆膜，但是覆膜的厚度和形狀隨埋植時間不同而有—定的差異。覆膜形狀隨埋植時間變長而變得更薄更致密，埋植12個月后覆膜厚度的不均勻性十清楚顯，許多地方形成滑液囊。埋植17個月后覆膜變成薄而光滑的纖維織締組織，只在接骨板螺釘部位存在少量不均勻覆膜。覆膜組織：覆膜的形成隨理植時間、埋植材料及其形狀以及埋植材料外表加工狀態(tài)不同而發(fā)生變化。埋植3個月后，TiNi合金接骨板上形成的覆膜都很厚，其成份由細(xì)胞質(zhì)(嗜堿性細(xì)胞質(zhì)、嗜酸性細(xì)胞質(zhì))和纖維組織構(gòu)成，而纖維組織成份幾乎為骨膠原組織。埋植6個月后所形成的覆膜厚度比3個月的薄，這是因?yàn)槔砟ぶ械募?xì)胞質(zhì)成份減少后主要由致密的骨膠原纖維組織構(gòu)成的緣故。隨著埋植時間的增加，覆膜厚度更加變薄，這是因?yàn)殡S著致密纖維組織增加，細(xì)胞質(zhì)減少的結(jié)果。埋植17個月后細(xì)胞質(zhì)減少到在由骨膠原纖維構(gòu)成的致密結(jié)締組織中僅存一點(diǎn)的程度。埋植周圍的骨骼和肌肉：埋植TiNi合金接骨板和正常犬的骨骼相比，沒有觀察到骨骼和形狀的變化，在埋植周圍和接觸部位的骨胳上并末發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞和的變化，剝離接骨板后在剝離部位上可看到成骨細(xì)胞和新生骨膜的生成。就對肌肉的影響而言，埋植后12個月以前沒有產(chǎn)生結(jié)締組織的變性或者脂肪變性，埋植17個月后在螺釘頭部所接觸的部位上形成薄肌纖維束，最引人注目的是這些組織中具有許多富有脂肪的細(xì)胞和血管。耐蝕性：在TiNiT合金接骨板外表上都沒有發(fā)現(xiàn)任何均勻腐蝕和局部腐蝕的現(xiàn)象，說明對動物組織的耐蝕性非常好。游離原子：通過中子激活分析，研究了埋植后Ni的游離狀態(tài)，其結(jié)果說明，當(dāng)埋植TiNi合金時，Ni游離在骨內(nèi)的有效誤差微小，同樣也研究了滲入在各內(nèi)臟器官內(nèi)的游離原子狀態(tài)，其結(jié)果說明，埋植期間內(nèi)積累起來的游離原子的有效誤差等于零這些結(jié)果說明，TuNi合金的生物相容性很好，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。6.2.2、牙科領(lǐng)域牙齒矯形絲：矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材彈性力進(jìn)行矯正。牙齒矯形用金屬絲材有不銹鋼絲和CoCr合金絲，但這些材料具有彈性模量高、彈性應(yīng)變小的缺點(diǎn)。因此，用微小變形可獲得很大矯正力，對患者造成疼痛和不適，同時還容易產(chǎn)生塑性變形。為了給出適宜的矯正力，最初就要加工成弓形，而且結(jié)扎操作比擬復(fù)雜。如果把TiNi合金超彈性功能應(yīng)用于矯形絲上，利用NiTi形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒定，即使應(yīng)變高達(dá)10％也不會產(chǎn)生塑性變形，而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性，即便應(yīng)變增大，矯正力卻增加很少，永久應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不銹鋼絲。而且，TiNi絲是一種可以穩(wěn)定地利用極大能量的材料，在大的變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他材料更加恒定的矯正力。因此，可以預(yù)料，NiTi矯形絲不僅結(jié)扎操作簡便，而且療效也好，可減輕患者不適感。1980年，中國就開始研制NiTi合金矯形絲，北京有色金屬研究總院與北京口腔醫(yī)院合作，研制出NiTi合金牙弓絲，稱為“中國NiTi牙弓絲〞牙髓針：牙髓針也是基于TiNi材料的超彈性、順應(yīng)性良好等特點(diǎn)、可進(jìn)入牙髓壞死部位進(jìn)行清理。與不銹鋼相比，NiTi合金牙髓針具有以下優(yōu)點(diǎn)：很高的柔韌性，特別適合用于清理復(fù)雜的牙髓結(jié)構(gòu)部位。特制的切割邊緣，具有高切割效率高耐磨性，使用壽命長。對其進(jìn)行外表處理，可大大增強(qiáng)其耐磨性和彎曲疲勞強(qiáng)度，牙根種植體：對于缺少不止一顆牙齒的病人來說，齒根修復(fù)被認(rèn)為是使其咀嚼功能恢復(fù)到最接近自然功能的一種方法。1984年日本采用NiTi形狀記憶合金成功制作了薄板結(jié)構(gòu)型牙根。使用時先在低溫下將牙根端部加壓使之并攏，并將其埋入顎骨，再用高頻感應(yīng)加熱或在口腔中不停地灌漱熱水，使NITi合金牙根的溫度上升，此時牙根端部就會如舌頭狀張開，分別向兩側(cè)張開30度，用這種方式實(shí)現(xiàn)固定的結(jié)合力，防止了咀嚼時因牙根張開而脫落，并因其支持力強(qiáng)，可持續(xù)時間大大延長。6.2.3、矯形外科Ω形脊柱人造關(guān)節(jié)：對于頸椎關(guān)節(jié)強(qiáng)硬，持別是伴隨著脊髓病變復(fù)發(fā)的持續(xù)、嚴(yán)重病癥的病人，采用Ω形脊柱人造關(guān)節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)的骨融合。在實(shí)際中，先在低溫下將Ω形器的弓形臂展平(圖a)．并置于頸椎椎體的中間部位(圖b)。由于體溫的影響，Ω形器的臂部恢復(fù)原狀，從而保持了頸椎高度(圖c)。這種關(guān)節(jié)成形術(shù)提高了病人功能恢復(fù)的程度，最大程度上減小了進(jìn)一步的惡化，減輕了痛苦，同時防止了并發(fā)癥的發(fā)生。ΩΩ形脊柱人造關(guān)節(jié)應(yīng)用示意圖脊柱側(cè)彎矯形用哈倫頓棒：各種脊柱側(cè)彎一旦導(dǎo)致高度畸變，不僅身心受到劇烈痛苦，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以必須進(jìn)行外科矯形手術(shù)。目前，這種矯形手術(shù)采用不銹鋼哈倫頓棒。矯形棒安裝固定后的力使脊柱受到的矯正力在30-40kg。但有時脊柱會受到更大的力，從而破壞固定器。結(jié)果不僅是脊柱，連神經(jīng)也有受到損傷的危險。并且，即使安放的矯正力到達(dá)30-40kg，固定后20min后矯正力就下降20%之多，再過10-15天下降到最初固定力的30%。一到這時必須再進(jìn)行手術(shù)，調(diào)整矯形力，使患者在精神和肉體上受到極大的痛苦。對于這樣的情形，如果把形狀記憶合金用做哈倫頓棒，只要進(jìn)行一次安放固定手術(shù)就行，不需要第二次手術(shù)。在使用中，將NiTi合金矯形棒先在低溫下彎折，使其變形為弓形或s形，其曲率與脊柱相吻合，然后固定在椎板的棘突上。在溫生理鹽水作用下，NiTi合金矯形棒恢復(fù)到原來形狀，此時產(chǎn)生較大的恢復(fù)力來推動脊杠進(jìn)行矯正，到達(dá)治療目的。利用NiTi記憶合金矯形體進(jìn)行脊柱矯形的最大特點(diǎn)是在體內(nèi)有持續(xù)矯形的能力—始終有一個較大的彎曲力矩作用在脊柱上，能使畸形得到進(jìn)一步矯正，并且療效高，矯形后角度喪失較小，無骨折、無神經(jīng)損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥．術(shù)后不用牽引，術(shù)后不用石膏固定。NiTi合金聚髕器應(yīng)用示意圖NiTi合金聚髕器：治療粉碎性髕骨骨折比擬困難，我國設(shè)計了一種用于治療髕骨骨折的形狀記憶NiTi聚髕器，現(xiàn)已成功用于臨床治療之中。聚髕器由1-2個髕底功能爪枝、2-3個髕尖功能爪枝和1個連接的功能腰組成，它能從5-9個方向產(chǎn)生恢復(fù)力并作用于髕骨，向心、主動、持續(xù)地以縱向聚合加壓，將粉碎的髕骨聚合于解剖位直至骨性愈合。臨床應(yīng)用中，通常在低溫下將爪漸漸展開，以減少爪和連接腰形成曲率，從而使得爪間距稍大于髕骨的縱向直徑；骨折復(fù)位后，爪的自由端就固定在髕骨周圍。用熱生理鹽水升溫，聚髕器的形狀恢復(fù)，髕骨周圍產(chǎn)生的會聚壓力抵消了股四頭肌的張力，在關(guān)節(jié)運(yùn)動時，骨折部位可得到穩(wěn)固的保護(hù)。聚髕器作用在骨折碎片的壓力將它們牢牢聚合在—起，加快骨折的愈合。NiTi合金聚髕器在臨床使用中NiTi合金聚髕器應(yīng)用示意圖髓內(nèi)針和髓內(nèi)釘：髓內(nèi)針是用來治療股骨、脛骨等的骨折，主要是將不銹鋼髓內(nèi)針插入骨髓內(nèi)以固定骨折部。這種治療法是利用不銹鋼的彈性進(jìn)行固定，需要預(yù)先把髓內(nèi)針變形，使其尺寸比髓腔直徑還大，然后插入破腔，因而插入部有受傷危險。TiNi合金的形狀記憶功能應(yīng)用于髓內(nèi)針上可簡化手術(shù)，在冷水中做成便于插入的形狀，靠體溫加熱在髓體內(nèi)恢復(fù)被記憶形狀，得到適宜的固定力。骨折部以理想的三點(diǎn)支承狀態(tài)得到固定，沒有發(fā)生骨損傷。利用形狀記憶合金的治療法與髓腔鉸孔后強(qiáng)行插入不銹鋼髓內(nèi)針的傳統(tǒng)治療法相比，插入手術(shù)容易，不需要髓腔鉸孔，能縮短手術(shù)時間。形狀記憶騎縫釘接骨用騎縫釘：連接碎骨，治療骨折，有時要使用起絆緊作用的U字形騎縫釘?，F(xiàn)用騎縫釘，插進(jìn)后使骨骼不別離，只起固定作用，但經(jīng)不住身體運(yùn)動所產(chǎn)生的剪切力，有時固定力在人體活動過程中甚至減半。用形狀記憶加壓U形釘對治療近關(guān)節(jié)骨折具有獨(dú)特優(yōu)勢，實(shí)際應(yīng)用中，先在低溫下(4℃或更低)將加壓局部伸展開，減少波形曲率、增加長度，同時增大夾角至90度以延長兩爪間跨距。骨折復(fù)位后，測量展開后的U形釘兩爪跨距，按此距離在骨折遠(yuǎn)端和近端鉆孔，然后將U形釘沿骨折方向插入鉆好的孔中，再用熱生理鹽水紗布對手術(shù)部位進(jìn)行熱敷，使其升溫，U形釘恢復(fù)到原始形狀，產(chǎn)生的恢復(fù)力將骨折碎片牢牢固定，從而對骨折局部施加恒定的壓力，即使關(guān)節(jié)部位運(yùn)動產(chǎn)生壓力或張力時，U形釘也能牢牢地壓縮在骨折部位。這種騎縫釘在德國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，沒有出現(xiàn)任何事故。形狀記憶騎縫釘形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器：在長管狀骨骨折的治療中，除了需要牢固地固定，還要求其能夠有效地抗彎曲、抗剪切、抗扭轉(zhuǎn)，同時保持軸向壓縮力，以促進(jìn)骨折愈合及骨的重塑。形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器具有固定抓緊功能，特別適用于治療十分困難的假體周圍骨折或髓內(nèi)釘周圍骨折。應(yīng)用時，(1)首先根據(jù)X光片選擇適宜長度的環(huán)抱器，鋸齒臂環(huán)袍內(nèi)固定器的內(nèi)徑應(yīng)比患者的骨直徑小約10％-20％；(2)將環(huán)抱器進(jìn)行高溫、高壓消毒后，置于0-5℃的消毒鹽水中；(3)對骨折處進(jìn)行復(fù)位；(4)在冰鹽水中用撐開鉗逐漸均勻地?fù)伍_各鋸齒背，使每對鋸齒臂之間的距離略大于骨干直徑；(5)自冰鹽水中取出已撐開的環(huán)抱器，迅速正確地置入已整復(fù)好的骨折段，要求骨折部位位于環(huán)抱器的中部；(6)用消毒熱鹽水沖洗環(huán)抱器及各鋸齒臂，由于形狀記憶效應(yīng)，環(huán)抱器迅速恢復(fù)原狀，鋸齒臂閉合，抱緊患骨；(7)最后檢查骨折同定的牢固情況，必要時可用冰鹽水進(jìn)行冷敷后調(diào)整，直至到達(dá)要求。6.2.4、醫(yī)療裝置人工心臟用人造肌肉：留神臟出現(xiàn)毛病，不可能手術(shù)治療時，不得不依賴于心臟移植或人工心臟。人工心臟是由泵和瓣膜構(gòu)成，傳統(tǒng)驅(qū)動源主要采用利用氣壓的隔膜泵和吸入泵。在驅(qū)動源中用形狀記憶合金制造人工心臟用人造肌肉。Sawyer等人把直徑0.5mm的TiNi合金絲記憶處理成正弦曲線形狀，貼在彈性質(zhì)(乙烯基醋酸脂橡膠)人工心室外壁上試制了人工心臟用收縮性人造肌肉。以6根TiNi絲為一組構(gòu)成一個驅(qū)動節(jié)，以平行或串并聯(lián)形式貼在心室壁上用作收縮驅(qū)動器。TiNi絲采用脈沖通電加熱方式，而冷卻依靠自然降溫，利用其形狀記憶效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)心臟的收縮。在體外用水進(jìn)行了試制的人工心臟的性能檢驗(yàn)，其結(jié)果說明，用每分鐘12—15次的加熱冷卻循環(huán)可獲得高達(dá)1600mm水柱的壓力。血栓過濾器：在心臟、下肢和骨盤靜脈中形成的血栓被剝離后通過血管游動到肺時便發(fā)生肺栓塞。通常必須通過服用抗凝劑或者外科切除術(shù)進(jìn)行治療，但是這兩種治療法都有危險性，特別是內(nèi)出血時服用抗凝劑不能止血。美國用TiNi合金絲試制了用來阻止游動于腔靜脈中的凝血塊的過濾器。首先把TiNi絲記憶處理成能阻止凝血塊的羅網(wǎng)形狀，然后在低溫下技直，通過導(dǎo)管插入腔靜脈，進(jìn)入腔靜脈的TiNi絲被體溫加熱立刻變成原先復(fù)雜的羅網(wǎng)形狀而成為血栓過濾器，阻止凝血塊游動。這種過濾器阻止血栓游動功能良好。此法的優(yōu)點(diǎn)是，只需局部麻醉就能完成手