形状记忆合金PPT课件.ppt

1 形状记忆合金 ShapeMemoryAlloy 主要内容形状记忆合金的发展形状记忆合金的原理形状记忆合金的分类形状记忆合金的应用 2 金属具有记忆能力人们把具有 记忆能力 的合金 ShapeMemeoryAlloy SMA 做成花 鸟 鱼 虫等各种造型 只要浸入一定温度的水中 可以出现花开放 鸟展翅 鱼摆尾 虫蠕动等现象 栩栩如生 如魔术般使人惊叹 3 用CuZnAl记忆合金片制备的金属花 以热水或热风为热源 开放温度为65 85 闭合温度为室温 花蕾直径80mm 展开直径200mm 神奇的形状记忆合金 4 形状记忆合金已被确认为一种热驱动功能材料 应用 仪器仪表 自动控制 航空航天 医疗器具 汽车工程以及机器人等 5 形状记忆合金的应用 形状记忆合金的发展 6 形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变 德国金属学家Martens发现 钢在奥氏体高温区淬火时 原来面心立方的奥氏体晶粒内原子以无扩散形式转变为体心立方结构 得到的组织以他的名字命名为马氏体 7 板条马氏体 钢的淬火 1938年 美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变 他们的研究在当时并没有受到世界的重视 1951年 美国的里德等人在Au Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应 随后 在InTl合金中也发现了形状记忆效应 这些合金价格昂贵 难以实现应用 人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金 8 低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的 1962年 美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究 在讨论该项研究经费分配时 某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲 无意中靠近手中点燃的雪茄 忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了 1963年 军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应 NiTi合金具有强度高 塑性大 耐腐蚀性好 成本相对低廉等许多特点而引起极大关注 人们开始考虑形状记忆合金的广泛应用 9 1970年 人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象 并明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性 以此为转折点 迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象 如表所示 现在 人们发现一些有机高分子材料 无机陶瓷等都具有形状记忆的功能 10 形状记忆合金的成分范围和Ms 马氏体相变开始温度 点 11 形状记忆合金的原理 12 Fe在910 以下为体心立方晶格结构的 Fe 910 以上为面心立方晶格结构的 Fe 碳溶解到 Fe中形成的固溶体为铁素体 F 碳溶解到 Fe中形成的固溶体为奥氏体 A 如果奥氏体以较大的冷却速度过冷 奥氏体中的碳原子没有扩散的可能 奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体 称为马氏体 M 由于含碳量过饱和 马氏体的强度和硬度高 塑性低 脆性大 13 奥氏体和马氏体 铁碳相图和C曲线 14 马氏体相变最早把钢中由奥氏体 母相 转变为马氏体的相变称为马氏体相变 材料组织的广泛基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体 马氏体逆相变马氏体相变具有可逆性 由马氏体向母相的相转变过程 称为马氏体逆相变 15 马氏体相变和马氏体逆相变 1 结晶学特征 马氏体是沿母相的惯习面生长并与母相保持一定的取向关系 形成共格晶界2 相变时不发生扩散 原子只做有规则的重排而不进行扩散 3 马氏体转变速度很快 有时速度高达声速 4 马氏体相变没有一个特定的温度 而是在一个温度范围内进行 16 马氏体相变特点 形状记忆效应 具有一定形状的固体材料 通常是具有热弹性马氏体相变的材料 在某一温度下 处于马氏体状态Mf 进行一定限度的塑性变形后 通过加热到某一温度 通常是该材料马氏体完全消失温度Af 上时 材料恢复到变形前的初始形状 具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金 17 形状记忆效应实验 18 原始形状 拉直 加热后恢复变形前形状 热弹性马氏体相变 具有马氏体逆相变 且Ms与As点相差很小的合金 将其冷却到Ms点以下 马氏体晶核随温度下降逐渐长大 温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小 此种马氏体称热弹性马氏体 在冷却转变与加热逆转变时呈弹性长大与缩小的马氏体 19 钢的马氏体转变 马氏体与母相平衡的热力学条件 20 GM 21 从图中可以可以看出 从 到M的转变 在Ms左边 随着温度降低 G M增大 马氏体开始生成 低温相开始形成 从M到 的转变 在As右边 随着温度升高 GM 增大 奥氏体开始生成 即高温相开始形成 低于Ms温度下 马氏体形成以后 界面上的弹性变形随着马氏体的长大而增加 当表面能 弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与相变化学自由能的减少相等时 马氏体和母相间达到热弹性平衡状态 马氏体停止长大 22 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变 马氏体长大 2020 1 8 23 温度继续下降 马氏体相变驱动力增加 马氏体又继续长大 也可能出现新的马氏体生长 温度升高 相变驱动力减小 马氏体出现收缩 热效应和弹性效应之间的平衡态是热弹性的由来 具有这种行为的马氏体为热弹性马氏体 相变为热弹性马氏体相变 24 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变 马氏体缩小 应力诱发马氏体 在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变 形成的马氏体叫应力诱发马氏体 应力弹性马氏体 有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体 应力增加时马氏体长大 反之马氏体缩小 应力消除后马氏体消失 这种马氏体叫应力弹性马氏体 25 形状记忆效应原理 有序点阵结构的母相与马氏体相变的孪生结构具有共格性 在母相 马氏体 母相的转变循环中 母相完全可以恢复原状 这就是单程记忆效应的原因 马氏体相变产生 结构相同 位向不同的马氏体变体由于相邻变体可协调生成 微观上相变应变相互抵消无宏观变形 马氏体片群 24种马氏体变体 自适应现象 26 27 形状记忆机理 马氏体受外力作用时 相对于外应力有利的变体将择优长大 不利的变体缩小 变体重新取向 相互吞食 变体界面移动 形成马氏体单晶 出现宏观变形 由于变形前后马氏体结构没有变化 当去除外力时 无形状改变 当加热发生逆相变 热弹性马氏体通过逆转变恢复到母相形状 双程和全程记忆效应机理比较复杂 有许多问题尚未搞清 28 马氏体的形变和加热后的形状记忆 29 形状恢复完全可逆需具备以下条件 马氏体相变是热弹性的 母相和马氏体呈现有序的点阵结构 马氏体点阵的不变切变为孪生 亚结构为孪晶或层错 马氏体相变在晶体学上是可逆的 30 相变伪弹性和超弹性 31 超弹性 superelasticity 变形对母相状态的样品在Af温度以上施加外力 随外力增加 样品首先发生遵循虎克 Hook 定律的弹性变形 应力超过弹性极限后 随应力的缓慢增加 样品的应变显著增加 在一定的应变范围内卸载 应变会完全消失 如同弹性变形 但其应变量远远超出通常意义上的弹性变形 称之为超弹性变形 其实质与弹性变形不同 故又称它为相变伪弹性 pseudoelasticity PE 变形 伪弹性仅与应力诱发相变和热弹性相变有关 AB段 母相的弹性变形 BC段 B点为应力诱发马氏体的最小应力 C点相变结束 母相向马氏体的转变使应变增加 其斜率远小于AB段 说明相变容易进行 CD段 相变结束后 应力作用下马氏体发生弹性变形 32 伪弹性应力应变示意图 在D点之前应力被取消 例如在点C 应变通过几步可恢复 C F段 马氏体的弹性恢复 FG段 马氏体向母相转变后引起的应变恢复 F点是卸载中马氏体能存在的最大应力 在该点开始发生马氏体向母相的逆相变 随后马氏体量不断减少直到母相完全恢复 G点 GH段 母相的弹性恢复 33 单程记忆效应将母相在高温下制成某种形状 再将母相冷却 使之发生马氏体相变 然后对马氏体进行任意变形 当温度升至Af点 马氏体完全消失 材料恢复母相形状 重新冷却时不能恢复低温相时的形状 双程记忆效应加热时恢复高温相形状 冷却时恢复低温相形状 通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象称为双程记忆效应 又称可逆记忆效应 全程形状记忆效应加热时恢复高温形状 冷却时变为形状相同而取向相反的高温相的现象 34 35 没放入热水前 放入热水后 冷却至室温后 再次放入热水后 双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况 形状记忆合金的分类 36 合金成分 呈现形状记忆效应的合金 其基本合金系就有10种以上 如果把相互组合的合金或者添加适当元素的合金都算在内 则有100种以上 得到实际应用的只有Ti基合金 Cu基合金以及Fe基合金 其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致价格昂贵 或者有些只能在单晶状态下使用 不适于工业生产 37 TiNi合金是目前形状记忆合金中研究最全面 记忆性能最好的合金材料 TiNi合金强度高 塑性大 耐蚀性好 稳定性好 具有优异的生物相容性 在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的形状记忆合金的经济性是一个重要因素 Cu基合金的记忆性能 耐蚀性能 力学性能等都比TiNi合金差 但价格仅为TiNi合金的l 10 在性能要求不高 反复使用次数少 特别是要降低成本的情况下使用 Fe基合金价格低 加工性能好 力学强度高 在应用方面具有明显的竞争优势 但其形状记忆效应不是很好 38 形状记忆合金的应用 39 40 形状记忆合金在航空航天中的应用 宇宙飞船登月之后 为了将月球上收集到的各种信息发回地球 必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线 要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能 但利用形状记忆合金则能使其成为可能 先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线 这种合金非常强硬 刚度很好 再让天线冷却到28 以下 这时 合金内部发生了结晶构造转变 变得非常柔软 所以很容易把天线折叠成小球似的一团 放进宇宙飞船的船舱里 到达月球后 宇航员把变软的天线放在月面上 借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度 这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开 成为原先定形的抛物状天线 迅速投入正常的工作 月面天线 连接件和紧固件 形状记忆合金管接头用相变点约 150 的TiNiFe合金制备 合金内径加工成比被接管径约小4 5 把管接头浸泡在液态空气中 在低温状态下使内径扩大约7 8 扩径后管接头用保温材料保持低温 被接管从管接头两侧插入 去掉保温材料 管接头温度上升到室温 内径恢复到扩径前状态 牢牢箍紧被接管 41 形状记忆管接头 形状记忆合金管接头具有高度的可靠性 不需熔焊的高温高热 不会损害周围材料 在低温下易拆卸 便于检修