形狀記憶原理及應(yīng)用ppt課件

1、外形記憶合金的記憶效應(yīng)機理及運用李 周 2021.9.6 外形記憶合金shape memory alloy作為一種新型功能資料曾經(jīng)被廣泛運用。該合金可以以為是始于1963年美國海軍武器實驗室Naval Ordianace LaboratoryW.J.Buehler博士的研討小組對TiNi合金的研討。他們發(fā)現(xiàn)TiNi合金構(gòu)件由于溫度不同，敲擊時發(fā)出的聲音明顯不同，這闡明該合金的聲阻尼性能和溫度相關(guān)。進一步研討發(fā)現(xiàn)，等原子比TiNi合金具有良好的外形記憶效應(yīng)。后來TiNi合金作為商品進入市場，給等原子比的TiNi合金商品取名為NiTinol，后面的三個字母就是該研討室的3個英文單詞的第一個字母。目

2、前外形記憶合金已廣泛運用于航空、航天、能源、汽車工業(yè)、電子、醫(yī)療、機械、建筑、服裝、玩具等各個領(lǐng)域。 外形記憶資料主要包括外形記憶合金、外形記憶陶瓷和外形記憶聚合物，其記憶機制各不一樣。本章將對與熱彈性馬氏體相變有關(guān)的外形記憶效應(yīng)做根底性引見。 普通金屬資料遭到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，到達屈服點，金屬就發(fā)生塑性變形，應(yīng)力消除后就留下永久變形。但是有些金屬資料，在發(fā)生了較大變形后遠超越彈性變形極限，經(jīng)加熱到某一溫度之上，可以回復到變形前的外形，這種景象叫做外形記憶效應(yīng)Shape Memory Effect1。如圖7.1所示。具有外形記憶效應(yīng)的金屬通常是兩種以上金屬元素組成的合金，這種金屬合

3、金叫做外形記憶合金Shape Memory Alloy。外形記憶效果普通以外形回復率來表示。設(shè)試樣在母相態(tài)時原始外形長度為l0，馬氏體態(tài)時經(jīng)形變?yōu)閘1，經(jīng)高溫逆相變后為l2，那么(%)=(l1-l2)/(l1-l0)100% 外形記憶合金中的記憶效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的。通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相P，低溫相叫做馬氏體相M，從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變，或馬氏體相變，從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。 外形記憶效應(yīng)的分類 外形記憶效應(yīng)有三種方式。第一種稱為單向外形記憶效應(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)生變形，改動其外形，再重新加熱到馬氏體轉(zhuǎn)變

4、為母相的開場溫度As以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，溫度升至馬氏體向母相轉(zhuǎn)變終了溫度Af，馬氏體完全消逝，資料完全恢復母相外形。普通沒有特殊闡明，外形記憶效應(yīng)都是指這種單向外形記憶效應(yīng)。 有些外形記憶合金在加熱發(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，自覺回復原馬氏體的外形，這種景象稱為雙向外形記憶效應(yīng)，又稱可逆外形記憶效應(yīng)。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，外形回復到與母相完全相反的外形，稱為全方位外形記憶效應(yīng)。 冷卻時，在無應(yīng)力條件下馬氏體在母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開場溫度Ms時開場構(gòu)成。假設(shè)備加應(yīng)力，馬氏體可以在Ms以上溫度構(gòu)成，這種馬氏體稱為應(yīng)力誘發(fā)馬

5、氏體Stress-Induced Martensite，簡稱SIM。它的相變驅(qū)動力不是熱能而是機械能。 外形記憶合金記憶效應(yīng)機理 大部分合金記憶資料是經(jīng)過馬氏體相變而呈現(xiàn)外形記憶效應(yīng)。馬氏體相變具有可逆性，將馬氏體向高溫相奧氏體的轉(zhuǎn)變稱為逆轉(zhuǎn)變。外形記憶是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時向高溫相進展可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。外形記憶機制表示圖拉應(yīng)力形狀 設(shè)Ms、Mf分別表示冷卻時奧氏體又稱為母相向馬氏轉(zhuǎn)變的開場溫度和終了溫度，、表示加熱時馬氏體向奧氏體逆轉(zhuǎn)變的開場溫度和終了溫度。具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變，且與溫度相差稱為轉(zhuǎn)變的熱滯后很小的合金，將其冷卻到點以下，馬氏體晶核隨著溫度下降逐漸長大；溫度上升時，馬

6、氏體相又反過來同步地隨溫度上升而減少，馬氏體相的數(shù)量隨溫度的變化而發(fā)生變化，外形記憶效應(yīng)是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時向高溫相進展可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。 母相與馬氏體相變的晶體學可逆性與有序點陣具有親密的關(guān)系，晶體學可逆性經(jīng)過有序點陣的構(gòu)成自動得到保證，在母相馬氏體母相的轉(zhuǎn)變循環(huán)中，母相完全可以恢復原狀。這就是單程記憶效應(yīng)的緣由。上圖中：a.將母相冷卻到點以下進展馬氏體相變，母相的一個晶粒內(nèi)會生成許多慣習面位向不同，但在晶體學上是等價的馬氏體，把這些慣習面位向不同的馬氏體叫做馬氏體變體(Variant),馬氏體變體普通有24種，由于相鄰變體可協(xié)調(diào)地生成，微觀上相變應(yīng)變相互抵消，無宏觀變形；b

7、.馬氏體受外力作用時加載，變體界面挪動，相互吞食，構(gòu)成馬氏體單晶，出現(xiàn)宏觀變形； c.由于變形前后馬氏體構(gòu)造沒有發(fā)生變化，當去除外應(yīng)力時卸載無外形改動；d.當加熱高于Af點的溫度時，馬氏體經(jīng)過逆轉(zhuǎn)變將恢復到母相外形。注不測形記憶合金在逆轉(zhuǎn)變過程中，單一位向的馬氏體不會生成多個位向不同的母相變體。上面已多次提到，相變中的晶體學可逆性是熱彈性馬氏體相變的重要特征，在熱彈性馬氏體相變中構(gòu)成的24種不同位向的馬氏體變體和母相的某一位向的晶格存在著晶格對應(yīng)關(guān)系。正由于這個緣由，在熱彈性馬氏體逆相變時可以完全地回復到和相變前一樣的母相形狀。 132高耐熱高耐熱SMACu-24Al-3Mn合金淬火態(tài)馬氏體透

8、射電鏡衍襯像和電子衍射花樣合金淬火態(tài)馬氏體透射電鏡衍襯像和電子衍射花樣 (a)淬火態(tài)衍襯像；淬火態(tài)衍襯像； (b) 010晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑； (c) 461晶帶軸衍射晶帶軸衍射斑；斑； (d)231晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑；(e)10151晶帶軸衍射斑；晶帶軸衍射斑；(f) 232晶帶軸衍晶帶軸衍射斑射斑_ _ _不同變形量不同變形量Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr合金原位察看金金相照片合金原位察看金金相照片a)淬火態(tài)淬火態(tài),(b)4%,(c)5.5%,(d)6.5%，(e)7.5%研討闡明，合金呈現(xiàn)外形記憶效應(yīng)必需具備如下條件：1馬氏體相變是熱彈性的或半熱彈

9、性；2母相與馬氏體相呈現(xiàn)有序點陣構(gòu)造原子有序陳列形狀為一種原子周圍出現(xiàn)異類原子的時機大；3馬氏體內(nèi)部亞構(gòu)造是孿晶或?qū)渝e；4相變時在晶體學上具有完全可逆性。本實驗研制的相變寬滯后記 憶 管 接 頭(已在美菱冰箱試用2年) 滯后寬度90K 大量運用外形記憶合金資料的是各種管件的接頭。力大，故銜接得很結(jié)實，可防止?jié)B漏，裝配時間短，操作方便。美國自1970年以來，已在F11噴氣戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)配管上采用了這種管接頭，其數(shù)量超越10萬個，迄今未發(fā)現(xiàn)一例走漏事故。這類外形記憶合金管接頭還可用于核潛艇的配管、海底管道，電纜系統(tǒng)的銜接等 高技術(shù)中的運用 外形記憶合金運用最典型的例子是制造人造衛(wèi)星天線。由Ti-

10、Ni合金板制成的天線能卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當衛(wèi)星進入軌道后，利用太陽能或其他熱源加熱就能在太空中展開。美國宇航局NASA曾利用Ti-Ni合金加工制成半球狀的月面天線，并加以外形熱處置，然后壓成一團，用阿波運載火箭送上月球外表，小團天線受太陽照射加熱引起外形記憶而恢復原狀，即構(gòu)成正常運轉(zhuǎn)的半球狀天線，可用于通訊。 衛(wèi)星天線30- Environmental heatingeastotalqqqqcos1350ssaq cos)(1350FaAFqsaFaTqeee44TqT = 157C (Sunlight, qs, qa, qe)T = -1C (Shadow, qe): angle between

11、 the solar-flux vector and surface normal to the antenna, as: surface absorption for solar radiation, ae:surface absorption for Earth radiation AF: the solar albedo factorThe designed Satellite operating altitude 600-700km, Low Earth 31 Plan View of the petal locks 由于外形記憶合金馬氏體相變的自協(xié)調(diào)和馬氏體中構(gòu)成的各種界面(孿晶面、相界面、變體界面)的滯彈性遷移，外形記憶合金會吸收能量而具有很好的阻尼特性。低頻交變應(yīng)力下，馬氏體相變內(nèi)耗屬于靜滯型能量損耗機制，內(nèi)耗與頻率、振幅、溫度及升降溫速度沒有本質(zhì)的依賴關(guān)系；高頻時，內(nèi)耗峰的溫度隨頻率增大而升高，內(nèi)耗峰是由界面粘滯運動引起的。 阻尼特性 醫(yī)學上的運用 作為醫(yī)用生物資料運用的外形記憶合金主要是Ti-Ni合金。Ti-Ni合金強度高，耐腐蝕，抗疲勞，無毒副作用，生物相容性好，可以埋入人體作生物硬組織的修復資料