形状记忆合金介绍

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1、现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometer-Materials（5）材料科学与工程学院刘颖教授主讲1第五讲形状记忆合金ShapeMemoryAlloy2主要内容形状记忆合金的发展形状记忆合金的原理形状记忆合金的分类形状记忆合金的制备形状记忆合金的应用3金属具有记忆能力人们把具有“记忆能力”的合金(ShapeMemeoryAlloy—SMA)做成花、鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入一定温度的水中，可以出现花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动等现象，栩栩如生，如魔术般使人惊叹。用CuZnAl记忆合金片制备的金属花，以热水或热风为热源，开放温度为65℃

2、-85℃，闭合温度为室温，花蕾直径80mm，展开直径200mm。4人们对形状记忆效应的物理本质及其影响因素已有较为清晰的认识，形状记忆合金已被确认为一种热驱动功能材料，人们利用其形状记忆效应，在仪器仪表、自动控制、航空航天、医疗器具、汽车工程以及机器人等领域中实现广泛应用。形状记忆合金的应用5形状记忆合金的发展6形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温区淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散形式转变为体心立方结构，得到的组织以他的名字被命名为马氏体。板条马氏体钢的淬火71938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-

3、Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变，他们的研究在当时并没有受到世界的重视；1951年，美国的里德等人在Au-Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应；随后，在InTi合金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。8低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。1962年，美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，无意中靠近手中点燃的雪茄，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。1963年，军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状

4、记忆效应。NiTi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好、成本相对低廉等许多特点而引起极大关注，人们开始考虑形状记忆合金的广泛应用。91970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象，并明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。以此为转折点，迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象，如表所示。现在，人们发现一些有机高分子材料、无机陶瓷等都具有形状记忆的功能。10形状记忆合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度)点合金成分Ms点/℃合金成分Ms点/℃AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuC

5、d46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/18011形状记忆合金的原理12Fe在910℃以下为体心立方晶格结构的α-Fe，910℃以上为面心立方晶格结构的γ-Fe。

6、碳溶解到α-Fe中形成的固溶体为铁素体(F)；碳溶解到γ-Fe中形成的固溶体为奥氏体(A)；如果奥氏体以较大的冷却速度过冷，奥氏体中的碳原子没有扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体，称为马氏体(M)。由于含碳量过饱和，马氏体的强度和硬度高、塑性低，脆性大。奥氏体和马氏体13形状记忆效应：具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，在某一温度下(处于马氏体状态Mf)进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消失温度Af)上时，材料恢复到变形前的初始形状。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。14形状记忆效应实

7、验原始形状拉直加热后恢复变形前形状15热弹性马氏体相变面心立方的奥氏体晶粒内的原子经无扩散位移，产生形状改变和表面浮凸，这种呈现不变平面特征的一级相变、形核长大型相变称为马氏体相变，相变后形成体心立方的马氏体。把马氏体相变开始和相变结束的温度表示为Ms和Mf，把马氏体逆相变(转变成奥氏体)的温度表示为As和Af。钢的马氏体转变16为使A(母相)-M(马氏体相)相变产生，M相的化学自由能必须低于A相。相变需要驱动力，不过冷到适当低于T0(A相和M相化学自由能达到平衡)的温度，相变不能进行，逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0的温度，相变才能进行。马氏体相和母相