第二章-形狀記憶合金-

《智能材料》第二章形狀記憶合金1回顧：智能材料的基本結(jié)構(gòu)傳感材料驅(qū)動材料控制材料智能材料材料自身能夠探測到外部環(huán)境狀態(tài)的變化能夠自動地執(zhí)行改變材料狀態(tài)的指令能夠?qū)μ綔y到的外部環(huán)境的變化作出判斷，并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令2●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(xiàng)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，無意中靠近手中點(diǎn)燃的雪茄，忽然發(fā)現(xiàn)靠近火焰部分的細(xì)絲伸直了?！?963年，美國海軍軍械研究所宣布在NiTi合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)?！馧iTi合金具有強(qiáng)度高、塑性大、耐腐蝕性好、成本相對低廉等很多特點(diǎn)而引起了極大關(guān)注，時至今日形狀記憶合金已得到了廣泛應(yīng)用。2.1形狀記憶效應(yīng)32.1形狀記憶效應(yīng)4形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect，簡稱SME）

在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時，通過馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀的現(xiàn)象。

具有這種效應(yīng)的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys,簡稱SMA）2.1形狀記憶效應(yīng)52.2馬氏體相變馬氏體相變是無擴(kuò)散相變之一，相變時沒有穿越界面的原子無規(guī)行走或順序跳躍，因而新相（馬氏體）承襲了母相的化學(xué)成分、原子序態(tài)和晶體缺陷。馬氏體相變時原子有規(guī)則地保持其相鄰原子間的相對關(guān)系進(jìn)行位移。6形象對說，馬氏體相變就像解放軍走分列式，各原子“動作整齊，步調(diào)一致”。2.2馬氏體相變7●早在戰(zhàn)國時代人們已經(jīng)知道可以用淬火（即將鋼加熱到高溫后淬入水或油中急冷）的方法可以提高鋼的硬度，經(jīng)過淬火的鋼制寶劍可以“削鐵如泥”?！袷攀兰o(jì)末期，人們才知道“加熱和冷卻”過程中鋼鐵內(nèi)部相組織發(fā)生了變化，從而引起了鋼的性能變化。為了紀(jì)念再這一發(fā)展過程中做出杰出貢獻(xiàn)的德國冶金學(xué)家AdolphMartens，法國著名的冶金學(xué)家Osmond建議將鋼經(jīng)過淬火所得的高硬度相成為“馬氏體”，并因此將得到馬氏體相的轉(zhuǎn)變過程稱為馬氏體轉(zhuǎn)變?！榜R氏體”-“Martensite”。2.2馬氏體相變8上世紀(jì)四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn等合金以及許多有色金屬及合金中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體轉(zhuǎn)變。不僅觀察到冷卻過程中發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變；同時也觀察到了在加熱過程中所發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變。由于這一新的發(fā)現(xiàn)，人們不得不把馬氏體的定義修定為：“在冷卻過程中所發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變所得產(chǎn)物統(tǒng)稱為馬氏體”。把以晶格畸變?yōu)橹鞯奈灰菩蜔o擴(kuò)散相變統(tǒng)稱為馬氏體相變。2.2馬氏體相變9共析碳鋼C曲線圖馬氏體轉(zhuǎn)變有一上限溫度，這一溫度稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度，用Ms表示。馬氏體轉(zhuǎn)變還有一個下限溫度，用Mf表示，當(dāng)奧氏體過冷到Mf以下時轉(zhuǎn)變也不能再進(jìn)行了。稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的下限溫度或馬氏體終了點(diǎn)。也就是說馬氏體轉(zhuǎn)變是在Ms—Mf之間進(jìn)行的。2.2馬氏體相變102.2馬氏體相變熱滯后熱滯后（溫度滯后），反映的是馬氏體轉(zhuǎn)變的阻力！MfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATUREMfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATURE(twinned)(twinned)11普通馬氏體相變熱彈性馬氏體相變

溫度2.2馬氏體相變12普通鐵碳合金：非熱彈性馬氏體相變相變溫度滯后約為幾百度各個馬氏體片幾乎是在瞬間就長到最終大小，且不會因溫度降低而再長大。非熱彈性馬氏體2.2馬氏體相變13形狀記憶合金：熱彈性馬氏體相變其相變溫度滯后約幾十度，有的形狀記憶合金只有幾度的溫度滯后。冷卻過程中形成的馬氏體會隨溫度的變化而繼續(xù)長大或收縮，母相和馬氏體相的相界面表現(xiàn)出彈性式的推移，在相變的全過程中一直保持著良好的協(xié)調(diào)性。熱彈性馬氏體2.2馬氏體相變14高溫相：奧氏體（通常為立方晶系）2.2馬氏體相變15低溫相：馬氏體（通常為斜方相）孿生馬氏體

形變馬氏體2.2馬氏體相變16溫度誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)物為孿生馬氏體2.2馬氏體相變17溫度和應(yīng)力作用下得到的馬氏體形態(tài)不同。在應(yīng)力作用下，對孿生馬氏體進(jìn)行變形，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥藢\生馬氏體。完成轉(zhuǎn)變的應(yīng)力開始轉(zhuǎn)變的應(yīng)力宏觀形狀發(fā)生改變2.2馬氏體相變18應(yīng)力卸載后，宏觀形狀改變得到保留。然后對彎曲的工件加熱，其將回復(fù)到原始形狀。2.2馬氏體相變19形狀記憶效應(yīng)示意圖2.3形狀記憶合金的訓(xùn)練20馴獸，是改變了動物的內(nèi)心世界。馴形狀記憶合金：是改變了材料內(nèi)部的缺陷組態(tài)。單程記憶效應(yīng)雙程記憶效應(yīng)2.3形狀記憶合金的訓(xùn)練21每一個循環(huán)都會留下永久變形該變形量越來越小，直到趨于零，訓(xùn)練完成訓(xùn)練過程是為了引入內(nèi)部缺陷，在該內(nèi)部缺陷的作用下，降溫時才會轉(zhuǎn)變?yōu)閷\生馬氏體，否則不具備形狀記憶效應(yīng)。如果對訓(xùn)練完成的合金進(jìn)行退火處理，缺陷組態(tài)消失，將失去形狀記憶功能。需要重新訓(xùn)練才能恢復(fù)。2.3形狀記憶合金的訓(xùn)練22形狀恢復(fù)完全可逆需具備以下條件：馬氏體相變是熱彈性的母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)馬氏體的變形，必須是通過退孿晶來實(shí)現(xiàn)馬氏體相變在晶體學(xué)上是可逆的2.3形狀記憶合金的訓(xùn)練232.3形狀記憶合金的應(yīng)用

記憶合金管的接頭24月面天線天飛機(jī)釋放的膨脹月面天線25雙程CuZnAl記憶合金花

采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風(fēng)為熱源，開放溫度為65℃~85℃，閉合溫度為室溫?；ɡ僦睆?0mm,展開直徑200mm。動作幅度為1800。另外，可據(jù)用戶要求訂做。

2.3形狀記憶合金的應(yīng)用26形狀記憶合金眼鏡架2.3形