Ni-Ti基形狀記憶合金的研究與應用

1、名氣氣，吧“一綜述基形狀記憶合金的研究與應用秦桂紅，嚴彪，殷俊林（同濟大學材料科學與工程學院、上海市金屬功能材料開發(fā)應用重點實驗室，上海）摘要：合金是一種性能優(yōu)良的形狀記憶材料。本文主要介紹了它的基本特性、相圖和馬氏體晶體結構，并簡單介紹了和兩種具有代表性的基合金，以及基合金在工程和醫(yī)學中的應用。關鍵詞：基形狀記憶合金；相圖；馬氏體晶體結構；應用中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（），（，舀，；，）：，：；前言點可分別達和¨?，F在形狀記憶合金是年代發(fā)展起來的一已經開發(fā)出來的基形狀記憶合金有普通型的種新型功能材料，它也是所有記億合金中記憶性能，；多滯后型最好、最穩(wěn)定、發(fā)展最早、研究最全

2、面的合金，即使是的；高溫型的，多晶合金也具有的超彈性，而回復應力可達。本文主要介紹基合金的基本特性、相圖，。此外其杰出的耐腐蝕性能使得合并說明第三組元加入對和三元金是唯一能在人體內應用的記憶合金。形狀合金馬氏體相變的影響。最后簡單介紹了合記憶合金的雙向記憶效應也很好，不但能回復母相金在工程和醫(yī)學中的應用。的形狀，而且能夠記憶馬氏體的形狀?，F在形狀記憶合金的基本特性形狀記憶合金的發(fā)展主要體現在以下幾個方面：合金的形狀記憶效應與馬氏體的可逆相變有密（）相變該相變的溫度滯后小，不超過，因切的關系。鋼鐵中的馬氏體是一種無擴散相變的產此可用于某些精確熱敏元件。該轉變的單向和雙向物，由于碳在一中的擴散速度

3、大，加熱時馬氏體首記憶效應都很好，其可逆應變大概在。（）全先發(fā)生分解，因而馬氏體的相變一般是不可逆的，即方位形狀記憶效應口。（）寬滯后合金的馬氏體加熱時不會再逆向變成奧氏體。但是鋼鐵以研究即通過加入的來寬化滯后。（）高外的多數合金馬氏體相變是可逆的，即冷卻時由母相溫記憶合金的研究主要是通過加入的轉變?yōu)轳R氏體，而加熱時馬氏體又逆向轉變?yōu)槟赶?，和來提高馬氏體逆轉變開始溫度點，其形狀記憶合金的本質是合金中熱彈性馬氏體相變。收稿日期：作者簡介：秦桂紅（一），女，河南人，碩士研究生，師從嚴彪教授，從事稀土形狀記憶合金材料研究和制備。一般金屬的變形是通過滑移產生永久變形，而形狀記憶合金的變形則是由馬氏體轉

4、變或馬氏體內組織再取向來實現的，當形狀記憶合金從高溫母相冷卻至低于馬氏體相變的轉變開始溫度點產生馬氏度（。點）向馬氏體轉變，隨著相變的發(fā)生，試樣開始伸長，當達到馬氏體相變完成溫度（，點）的同時，試樣也停止伸長，這種因相變導致試樣發(fā)生的形變稱為相變形變。反之加熱試樣，從馬氏體相向母相轉變的開始溫度（。點），到全部轉變?yōu)槟赶嗟慕K止溫度（，點），伴隨這一逆向馬氏體相變發(fā)生的同時，試樣回復到原狀。體相變，這種馬氏體比母相軟，成為熱彈性馬氏體。圖顯示了相變特性及相變循環(huán)中的關鍵點，在一定的載荷下冷卻試樣，使試樣從馬氏體相變開始溫溫度，圖相變溫度曲線應變圖應舡應變曲線隨著相變的進行合金的機械特性有較大的變

5、化，圖給出了合金在拉力作用下的應材料溫度比其相變溫度稍高時，應力可以誘發(fā)馬氏體相變，在恒定的應力作用下，應變不斷增大，如曲線。解除負荷，減少應力，馬氏體轉化為奧氏體，形狀記憶發(fā)生了，如曲線。這種形狀記憶不是通過加熱而是通過應力的減小，使材料具有完全彈性，這種彈性稱為偽彈性或超彈性。，舡應變曲線。馬氏體在較低的應力下就能產生塑性變形，而高溫奧氏體母體具有很高的屈服應力。馬氏體曲線表明，去除應力的馬氏體經加熱轉化為奧氏體，回復到它所“記憶”的形狀。而奧氏體經形變后加熱卻沒有類似的現象。從圖（）中看到，當記憶合金的相圖圖合金相圖相圖是理解一切相變（包括馬氏體相變）的基礎，也是控制合金組織和性能的重要

6、依據。圖所示的合金相圖是最近等人在前人的基礎上稍做修改報道的。人們感興趣的地方是相圖中近等原子比的地方，即處在：相和。相之間的區(qū)域，在這個地方單一的相（有序相）可以轉變?yōu)閱涡钡鸟R氏體相。合金相圖的這個區(qū)域多年來一直是有爭議的，主要問題在于在。時是否存在共晶反應，即，以及富代時，窄滯后（一）的相變要比上述馬氏體相變的合金經合適的熱處理析出的，。相和先發(fā)生¨。二元合金經過合適的熱處理發(fā)：。相是什么樣的相。后來經研究證實該共晶反現同樣的相變¨。這種相變之所以被稱作相應是不存在的，等人¨對此做了詳細論述，并變是因為在發(fā)生相變的時候點陣是從立方轉變?yōu)榱庾C實。相和：，相在富的

7、合金時效形結構，立方點陣沿延伸可以得到菱形時是亞穩(wěn)態(tài)的相，當富的合金時效時按照點陣（圖）。這種轉變在驅動器的應用上是很有下面的順序析出：。一：一，直到最終出用的，因為正如前面提到的它有很小的溫度滯后?，F穩(wěn)定的，相，因此建立了圖所示的相圖。后這種結構也是一直有爭議的，但最近人們應用幾種來等人又對該相圖稍做修改，即把。處不同的實驗手段相結合的辦法（譬如電子衍射，射的虛線改到了處。【等人認為當合金線粉末法等）測得了相的結構，屬于空間群，溫度冷卻至。發(fā)生，的轉變。運用這個沒有對稱中心，其晶格參數和原子參數可參看文相圖對合金進行合適的熱處理可以改善合金的記憶獻。這種結構跟合金¨剛中的：馬氏體性

8、能。對母相進行淬火析出的，。相對提高合金十分類似。具體發(fā)展過程可參看文獻，。的記憶性能是有用的，因為當對母相在較低溫度（譬如。）歸叫下時效時，。相是以薄片狀析出的。糾和¨糾的晶體結構也是可以確定的。由圖可以看出，合金時效時不可能硬化沉積出：相，因為相靠近富一側的邊界是垂直的，溶解度幾乎不隨溫度的變化而變化。基合金馬氏體的晶體結構合金的母相為有序結構。二元合金的馬氏體晶體結構自從年發(fā)現以來一直是有爭議的，其歷史發(fā)展可參考文獻【。然而，人圖和相變有關的晶格轉變（）型母相（）相切簪們最終應用單晶射線衍射法和最乘法測定（）（）了合金的馬氏體晶體結構。合金的馬氏體為畸變單斜結構，記為，屬于，（

9、，等）三元合金空間群。其晶格參數和原子參數可參看文獻¨，為了改變合金的相變溫度，物理或力學其結構示意圖如圖所示。值得注意的是這種單斜性能，人們研制出了各種各樣的三元合金。在這些馬氏體和大多數相合金的馬氏體結構十分不同，三元合金中，一（一）和合金是相合金的馬氏體結構是周期性緊密堆積的堆垛有最重要的。序結構，盡管人們通常把合金劃分為相合如圖和圖所示，的添加對合金產生很多金系，但目前作者認為這樣是不合適的，因為在有趣的影響。首先改變的含量對合金的相變溫合金里電子與原子之比（）遠不是相合金度沒有明顯影響。其次，相變改變類型隨含量的不同而不同：，：所要求的。一一。：。的轉變溫度滯后要比，的窄，

10、隨著含量的增加相變滯后明顯變窄，因此合金對溫度場的響應比較迅速，可以用其制成具有較高響應頻率的敏感元器件。雖然合金的相變具有最小的相變滯后，但其形狀記憶應變較?。ㄒ唬?。而合金卻具有較大的形狀記憶應變，如圖圖合金的單斜馬氏體所示，合金應用的溫度范圍要比相變的應用范圍大。當合金中一的被或取明顯升高。其原理機制可參看文獻扎為。合金的應用系形狀記憶合金因為具有穩(wěn)定的形狀記憶和超彈性功能，同時還具有優(yōu)良的加工性、強度、耐磨性、耐腐蝕性和生物相容性等性能，在工業(yè)自動化、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、儀器儀表及機械制造等工業(yè)領域得到廣泛應用。留；糕贈在工程中的應用連接緊固件利用形狀記憶合金優(yōu)良的形狀記憶效應，可制成各

11、種連接緊固件，如管接頭，緊固圈、連接套管和緊固鉚釘等。最初管接頭所采用的合金為和合金，其相變滯后較窄，安裝前必須保存在液氮中，實際應用很不方便。最近新開發(fā)出的寬滯后形狀記憶合金可以克服上述含量缺點，工程應用十分方便，受到工程界的廣泛重視，應用前景十分廣闊。美國公司研制生產出了寬滯后形狀記憶合金同軸電纜屏蔽網和接頭的緊固圈舊川。美國利用合金制造海軍一戰(zhàn)斗機上液壓系統(tǒng)的管接頭，管接頭在液氮中進行擴徑，在室溫下貯存而不發(fā)生形狀回復。安裝時，只需將管接頭套在被連接管上，稍加熱管接頭實現形狀回復達到緊密配合目的。美國一戰(zhàn)斗機上完成萬例連接，無失效報道。在我國，飛機上應用合金的有伊爾、伊爾型機，使用三元形

12、狀記憶合金開尾鉚釘連接中央翼和貨艙門加強框。驅動器圖的含量對（）舍金相變溫度的影響一（一）由于合金的相變具有一些優(yōu)良特性，使它可以用作自適應復合材料驅動絲，將預應變合金絲嵌入主動復合材料中，可以大大改善主動復合材料的功能。比如使材料中的應力改變振動頻率。相變對自適應復合材料（簡稱一復合材料）溫廈溫度的開關控制特別有效，有利于界面強度的持久性，簡化了一復合材料的固化工藝。同時，與相變有關的特性呈現良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)次數大于×時，應變和相變溫度沒有明顯的變化口引。圖（）合金在同一栽荷（）下的一曲線】（）（）（）一（一】如上所述，記憶合金用于制作敏感元器件時，就需要有較窄的相變滯后。然

13、而，當制作緊固件時就需要較寬的相變滯后，這是因為在馬氏體狀態(tài)下變形的緊固件能夠容易地在室溫狀態(tài)下貯存。正是由于這一點，寬滯后的合金具有廣泛的應用，尤其因為該合金在馬氏體狀態(tài)下變形后其點制動器利用合金做制動器主要是應用在汽車上四挪，主要用于控制引擎、傳送、懸吊等，以提高安全眭、可靠性以及舒適性。如美國公司和德國寶士公司把合金制成彈簧引入汽車排擋系熱處理年第卷第期統(tǒng)中，藉記憶行為來調整油壓，還可增加減緩器的效能。在醫(yī)學上的應用，：，國內外大量的耐腐蝕性、生物相容性、細胞毒性、致癌性、溶血性、致敏性等生物化學試驗表明，：，：合金與不銹鋼、鈷鉻合金相比，具有更為優(yōu)良的生物相容性和低生物蛻變性。合金在醫(yī)

14、學領域的應用比較廣泛，主要是在內科和整形外科的應用。，：，：，（）：，在內科的應用有腔道內支架和血管支架、顱骨成形板和固定釘、醫(yī)用超彈性導絲、下腔經脈濾器、心腔內異常通道栓堵器。在整形外科中的應用主要有牙齒矯正絲、超彈性脊椎柱側彎矯形棒、環(huán)抱臂環(huán)抱式接骨板、髕骨爪、內鎖型加壓髓內針、縱向加壓骨卡環(huán)環(huán)抱式接骨板、，：，：，：分體式接骨板、自加壓騎縫釘¨。結束語，：，基形狀記憶合金以其優(yōu)良的性能贏得世人的青睞，在記憶合金領域占據著絕對的優(yōu)勢。它的發(fā)展尤其是近年來的發(fā)展十分迅速，已成為形狀記憶合金研究領域的重要研究方向。我國已在其基礎研究和應用開發(fā)方面做了很多工作，但與國外相比還遠遠不夠。由于其形狀記憶性和超彈性性能良好且穩(wěn)定，在形狀記憶合金的應用領域也占據著重要位置。為了適應在微機械及各種復雜環(huán)境中的使用要求，基形狀記憶合金今后的發(fā)展方向是尺寸的超小化、超細