形狀記憶合金

神奇的功能材料—形狀記憶合金

北京交通大學張克軍cauzkj@12/18/20241神奇的功能材料—形狀記憶合金形狀記憶效應Ti-Ni形狀記憶合金的原理Ti-Ni形狀記憶合金的驅(qū)動性能研究形狀記憶合金的應用12/18/20242

1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

形狀記憶合金作為一種新型功能性材料為人們所認識，并成為一個獨立的學科分支，可以認為是始于1963年。當時美國的海軍武器實驗室的W.J.Buchler博土研究小組，在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)，TiNi合金工件因為溫度不同，敲擊時發(fā)出的聲音明顯不同，這說明該合金的聲阻尼性能與溫度相關。通過進一步研究，將這種材料制成的細絲的一端彎曲，并靠近點煙火柴火焰，發(fā)現(xiàn)彎曲的細絲伸直了。

12/18/20243形狀記憶效應(ShapeMemoryEffect,簡稱SME)形狀記憶效應——將材料在一定條件下進行一定限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應的材料——形狀記憶材料形狀記憶合金

一般金屬材料收到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，金屬就產(chǎn)生塑性變形，應力消除后就產(chǎn)生了永久變形。有些金屬在高溫下定形后冷卻到低溫并施加變形，從而形成殘余形變。

12/18/20244具有形狀記憶效應的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構成的合金，故稱為形狀記憶合金

(ShapeMemoryAlloys，簡稱SMA)。

20世紀80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超導材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應。形狀記憶合金12/18/20245形狀記憶效應可分為3種類型：①單程形狀記憶效應②雙程形狀記憶效應③全程形狀記憶效應

形狀記憶合金12/18/20246單程形狀記憶效應——材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時將其任意變形，再加熱時恢復為高溫相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復低溫相時的形狀。

形狀記憶合金單程形狀記憶效應12/18/20247雙程形狀記憶效應——加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時恢復低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復恢復高低溫相形狀的現(xiàn)象，或稱為可逆形狀記憶效應。

形狀記憶合金雙程形狀記憶效應12/18/20248全程形狀記憶效應——當加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。只能在

富鎳的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。

形狀記憶合金全程形狀記憶效應12/18/20249馬氏體相變與形狀記憶原理熱彈性馬氏體相變超彈性和偽彈性應力誘發(fā)馬氏體相變形狀記憶合金12/18/202410普通的馬氏體相變是鋼的淬火強化方法，即把鋼加熱到某個臨界溫度以上保溫一段時間，然后迅速冷卻，鋼轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N馬氏體結構，并使鋼硬化。大部分合金和陶瓷記憶材料是通過熱彈性馬氏體相變而呈現(xiàn)形狀記憶效應。馬氏體相變與形狀記憶原理奧氏體(A)馬氏體(M)45＃鋼淬火工藝曲線AM鋼的馬氏體相變不可逆冷卻加熱形狀記憶合金12/18/202411在某些合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性馬氏體相變：馬氏體一旦生成可以隨著溫度降低繼續(xù)長大，當溫度回升時，長大的馬氏體又可以縮小，直至恢復到原來的母相狀態(tài)，即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小——熱彈性馬氏體AM可逆性冷卻加熱形狀記憶合金12/18/202412具有較低的對稱性的正交或單斜晶系，內(nèi)部是孿晶變形或?qū)渝e具有較高的對稱性的立方點陣形狀記憶效應的實質(zhì)：是在溫度的作用下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過程的宏觀表現(xiàn)。熱彈性馬氏體相變時伴隨有形狀的變化。形狀記憶合金12/18/202413形狀記憶合金晶體結構變化模型形狀記憶合金12/18/202414超彈性或偽彈性形狀記憶合金發(fā)生超彈性變形的應力應變曲線

(Af溫度以上加載）

產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金，在Af溫度以上誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體只在應力作用下才能穩(wěn)定地存在，應力一旦解除，立即產(chǎn)生逆相變，回到母相狀態(tài)，在應力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也隨逆相變而完全消失。其中應力與應變的關系表現(xiàn)出明顯的非線性，這種非線性彈性和相變密切相關，叫做相變偽彈性

或超彈性12/18/202415在T0與Ms之間的某一溫度對合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變。由外部應力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變稱為應力誘發(fā)馬氏體相變(Stress-Induceed

MartensiteTransformation)。

本質(zhì)：應力作用使材料的MS點升高。應力誘發(fā)馬氏體相變12/18/202416Ti-Ni形狀記憶合金的驅(qū)動性能研究預應變Ti-Ni合金絲在加熱、冷卻過程的回復力——溫度曲線Ti-Ni合金儲能、耗能、輸出功與溫度和預應變關系Ti-Ni合金熱-機循環(huán)過程中的應力——應變——溫度關系形狀記憶合金的阻尼特性12/18/202417

Ti-Ni基形狀記憶合金

優(yōu)點：記憶效應優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好缺點：制造過程較復雜，價格高昂

Ti-Ni合金通過在1000℃左右固溶后，在400℃進行時效處理，再淬火得到馬氏體。形狀記憶合金12/18/202418形狀記憶合金的應用形狀記憶合金12/18/202419①高技術中的應用：制造人造衛(wèi)星天線

Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美國宇航局的月面天線計劃：在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復到原來的拋物面形狀,從而能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線。形狀記憶合金12/18/202420②工程應用:緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D形狀記憶合金12/18/202421③醫(yī)療領域應用:牙齒矯形絲、血栓過濾器、動脈瘤

夾、接骨板等（Ti-Ni合金）支撐性與柔韌性完美協(xié)調(diào)的Ti-Ni記憶合金食道支架形狀記憶合金12/18/202422④智能應用

形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動雙重功能為一體的新型材料，可廣泛應用于各種自動調(diào)節(jié)