第五章-形状记忆合金

设想l 自动张开收缩的窗帘l 自动控制水温的热水器形状记忆合金（ Shape Memory Alloys） l 一、形状记忆效应 (Shape Memory Effect)l 二、形状记忆效应的机理 (Mechanism)l 三、相变超弹性 (Pseudoelasticity) l 四、形状记忆合金材料 (SMA Materials) l 五、形状记忆合金的应用 (Applications)l 六、材料学方面的问题 (Problems)l 形状记忆 是指具有初始形状的制品变形后，通过加热等处理手段又回复初始形状的功能。 具有形状记忆功能的材料包括 形状记忆合金 和 形状记忆聚合物 。 l 形状记忆效应最早发现于 30年代 ， 1932年 ,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到 “ 记忆 ” 效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状。l 1961年美国海军军械实验室首先研究了 Ni-Ti合金的形状记忆效应。在一次试验中他们将试验用弯曲的镍 -钛合金丝拉直后升温试验时，发现已经被拉直的镍 -钛合金丝突然又全部恢复到原来弯曲的形状 , 而且和原来一模一样 , 具有良好的形状记忆效应。这引起了人们的重视并开始进行集中研究 .l 1975年以来，形状记忆合金作为一种新型功能材料 ,其应用研究已十分活跃。 合金的这种记忆效应是由合金的 “相变化 ”来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。 记忆合金的开发迄今不过 20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为 “神奇的功能材料 “。一、形状记忆效应 (Shape Memory Effect)l 某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复变形前的形状和体积，这种现象称为 形状记忆效应 (SME)。 具有形状记忆效应的合金称 形状记忆合金 (SMA)。 形状记忆效应形状记忆效应形状记忆效应形状记忆效应示意图这种只能记忆住高温时形状的现象称为单向记忆效应（又称单程记忆）。 某些记忆材料例如 TiNi合金及 Cu基记忆合金经过一定的特殊处理后，材料可以 “记忆 ”住高温时的形态，又可 “记忆 ”低温时的形状。当温度在高温和低温之间往返变化时，材料自行在两种形状之间变换，这种现象称为双向记忆效应（ Two Way Memory Effect ， 简写为 TWME ）。 单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图双向记忆效应(two-way memory)l 具有双向记忆的合金，在一定温度区间，随温度升降，材料将反复变形 。另有一种特异的现象，它不仅具有双向形状记忆效应，而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变化规律，即记忆了中间过程 这种在温度循环过程中出现的自发形状变化，其形状变化大于所有可逆形状记忆效应，而且高温形状和低温形状是完全可以倒置的，这种记忆效应称为全方位形状记忆效应（ All-Round Shape Memory Effect， 缩写为 ARSME）。 全方位形状记忆效应示意图全方位形状记忆效应钢淬火变硬的现象图 5.1马氏体相变晶体学模型f.c.c. b.c.c马氏体相变二、形状记忆效应的机理 (Mechanism) 定义 ： 替换原子无扩散位移（切变），即原子沿相界面作协作运动），使其形状改变和表面浮凸，呈现不变平面应变特征的一级、形核 -长大型的相变。图 5.2马氏体相变示意图图 5.3马氏体相变平面示意图马氏体相变的基本特征无扩散切变型相变点阵不变平面应变固定取向关系马氏体片内具有亚结构相变具有可逆性图 5.4马氏体相变的一些临界温度临界转变温度 马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变为马氏体相，称为冷却相变，用 Ms、 Mf分别表示马氏体相变开始与终了的温度。 加热时发生马氏体逆变为母相的过程。该逆相变的起始和终止温度分别用 As与 Af表示。 图 5.5马氏体相变的临界温度 一般材料的相变温度滞后（ As-Ms） 非常大，例如 Fe-Ni合金约 400 。各个马氏体片几乎在瞬间就达到最终尺寸，一般不会随温度降低而再长大。 在记忆合金中，相变滞后比前者小一个数量级，例如 Au-47.5%Cd （ 原子分数）合金的相变滞后仅为 15 。冷却过程中形成的马氏体会随着温度变化而继续长大或收缩，母相与马氏体相的界面随之进行弹性式的推移。 l 形状记忆效应与其组织变化有关，这种组织变化就是马氏体相变。形状记忆合金应具备以下三个条件：Cu-Zn形状记忆合金中的马氏体l 马氏体相变是热弹性类型的；l 马氏体相变通过孪生 (切变 )完成，而不是通过滑移产生；l 母相和马氏体相均属有序结构。 l 1、热弹性马氏体相变(Thermoelastic Martensitic Transformation)l 马氏体相变是无扩散型转变。根据其转变特点可将马氏体相变分为非热弹性马氏体相变（ A类）和热弹性马氏体相变（ B类）两类。 非热弹性马氏体 热弹性马氏体NON-THERMOELASTIC MARTENSITE THERMOELASTIC MARTENSITE l 冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度 Ms与加热时马氏体转变为母相的起始温度 As之间的温度差称为热滞后 。 A类转变的热滞后大 ，在 Ms以下马氏体瞬间形核瞬间长大，随温度下降，马氏体数量增加是靠新核心形成和长大实现 的。加热时，马氏体在达到 As之前已经分解 (如 Fe-C合金 )，因而不发生逆转变。 A、 B类马氏体相变的热滞后 (B)(A)Fraction martensitethermal hysteresisl B类转变热滞后非常小 ， 在 Ms以下升降温时马氏体数量减少或增加是通过马氏体片缩小或长大来完成的，母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变是可逆的，逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和以前完全相同的母相。(B)(A)A、 B类马氏体相变的热滞后 Fraction martensitethermal hysteresisl 相变时热滞后小，反映了相变驱动力（母相与马氏体相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移动。这种 热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相变称为 热弹性马氏体相变 。冷却时驱动力大，马氏体长大，同时马氏体周围母相中产生的弹性能增加， 冷却停止，马氏体长大也停止，即 热驱动力与弹性能平衡，称之为 热弹性平衡 .热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体不一样，通常它比母相还软 。 热弹性马氏体箭状形貌的明场像热弹性马氏体 相变(Thermoelastic Martensitic Transformation)CuAl14Ni4.2单晶奥氏体基体中的马氏体箭CuAl14Ni4.2单晶奥氏体基体中的马氏体箭随冷却和加热而生长和退缩 (Growth and decay of a martensitic arrow in an austenitic matrix upon cooling and subsequent heating.CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal)Martensitic arrow in austenitic matrix. CuAl14Ni