主要的几类记忆合金及性能ppt课件.ppt

第二节主要的几类记忆合金及性能 一 Ti Ni基形状记忆合金Ti Ni基合金是最早发展的记忆合金 特点 记忆效应优良性能稳定生物相容性好但制造过程较复杂 价格昂贵 Ti Ni基记忆合金中的基本相和相变Ti Ni二元合金系中有三个金属间化合物 TiNi Ti2Ni TiNi3 Ti Ni基记忆合金是基于TiNi金属间化合物的合金 TiNi晶体结构 高温时 B2 CsCl结构 为母相 TiNi由高温冷却时发生马氏体相变 马氏体结构 1 Ti Ni相图 2 在适当的热处理或成分条件下 Ti Ni合金还会形成R相 R相结构 菱面体点阵Ti Ni合金冷却时 根据成分和预处理条件的不同 呈现两种不同的相变过程 母相 马氏体母相 R相 称R相变 马氏体加热时 马氏体 R相 母相这些相变都是热弹性马氏体相变 按上述晶体学机制实现形状记忆效应 出现R相变时 Ti Ni合金的记忆效应是由两个相变阶段贡献的 无R相变时 记忆效应是由母相 马氏体的单一相变贡献的 根据成分和热处理条件不同 Ti Ni合金中有弥散的第二相析出 如Ti3Ni4 Ti2Ni3 TiNi3 Ti2Ni等 其中Ti3Ni4 Ti2Ni3是亚稳相 第二相的存在对Ti Ni合金的记忆效应 力学性能有显著的影响 3 图4 14Ti 50 5Ni合金的电阻温度曲线1273K固溶处理后673K时效1h 电阻为任意单位 含Ni为 Ni 50 5 4 合金元素对Ti Ni合金相变的影响加Cu Cu置换Ni形状记忆效应 力学性能仍很好 合金价格 Ms 热滞 加Nb 纯Nb相弥散分布在TiNi基体 热滞 加Fe 出现R相变 相变过程明显分为两个阶段 Ti Ni记忆合金的力学性能Ti Ni记忆合金在一定温度下发生马氏体相变和应力诱发马氏体相变 因此 合金的变形是在马氏体相还是在母相进行 变形时是否发生应力诱发马氏体相变等因素对合金的应力 应变关系有很大影响 按变形温度 Td 与相变点的关系 Ti Ni合金的应力 应变曲线分为五种类型 如图4 16 5 a Td Mf 变形前组织 完全马氏体 在应力作用下 马氏体变体发生再取向过程 产生变形 由于Td Mf 卸载后马氏体取向 组织不变 应变被保持下来 b Mf Td Ms 变形前组织 部分马氏体 部分母相 变形通过马氏体变体的再取向和应力诱发生成马氏体两种机制进行 由于Td Ms 卸载后 不发生马氏体逆转变 或只有少量马氏体逆转变 应变被完全或大部分保持下来 c Ms Td Af 变形前组织 完全母相 变形通过应力诱发生成马氏体进行 卸载时 马氏体部分逆转变母相 变形部分被消除 6 d Af Md 不发生应力诱发马氏体相变 在应力作用下 母相产生塑性变形 记忆合金的记忆变形是可逆的 但记忆合金会发生疲劳破坏 由于有第二相或夹杂以及晶粒取向不同等因素 记忆合金变形总有不协同性 在晶界和相界上产生应力集中 导致裂纹形成和断裂 总体上Ti Ni合金具有良好的抗疲劳性能 是所有记忆合金中抗疲劳性能最好的材料 二 Cu基形状记忆合金主要两种Cu基形状记忆合金 Cu Zn Al基Cu Al Ni基 7 特点 形状记忆效应好 价格便宜 易于加工制造等 但与Ti Ni记忆合金相比 强度较低 稳定性及耐疲劳性能差 不具有生物相容性 Cu基记忆合金中的基本相 Cu Zn Al合金 母相 相 B2 CsCl结构 或DO3 Fe3Al结构 属立方晶系马氏体 9R 18R 2H等不同的结构 Cu Al Ni合金 母相与马氏体的晶体结构与Cu Zn Al基本类似 Cu基记忆合金中的稳定性 相变点对合金成分十分敏感 存在较严重的马氏体稳定化现象 淬火后合金的相变点会随着放置时间的延长增加直至达到一稳定值 热 力循环对合金的记忆效应影响显著 随热 力循环的进行 Ms As Af等上升 相变热滞显著增大 8 Cu基记忆合金成分范围在 相区内 当将 相区成分的合金从高温淬火冷却 相发生有序化相变转变为亚稳的有序 相 进一步冷却时 相发生热弹性马氏体相变 故 相是母相 9 Cu基记忆合金的力学性能 Cu基记忆合金的力学性能较差 主要因为弹性各向异性常数很大 晶粒粗大 变形时很容易产生应力集中 导致晶界开裂 提高Cu基记忆合金塑性和疲劳寿命的方法 制备单晶或形成定向织构 细化晶粒 添加合金元素 控制再结晶 快速凝固 粉末冶金等 三 Fe基形状记忆合金Fe基形状记忆合金分为两类 基于热弹性马氏体相变基于非热弹性可逆马氏体相变特点 强度高 易于加工成形 具备形状记忆功能的铁基合金需满足 1 母相具有高的屈服点或低的弹性极限 2 马氏体相变引起的体积变化和切变应变较小 3 马氏体的正方度 c a 大 有利于形成孪晶亚结构 4 Ms较低 有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服点 10 从马氏体的形态方面考察 当达到上述要求时 铁基合金中的马氏体一般呈薄片状 通过适当的合金化 在铁基合金可实现热弹性或非热弹性可逆马氏体相变 进而发展出基于这两种相变的铁基形状记忆合金 基于热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金 Fe Pt 约w Pt 25 Fe Pd 约w Pd 30 昂贵未能应用 Fe Ni Co Ti合金 Fe w Ni 33 w Co 10 w Ti 4 价格偏高 Ms太低 约200K 应用受限 基于非热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金在Fe Mn Si合金中 应力诱发形成的薄片状 马氏体 相变时体积变化小 在加热时能够逆转变为奥氏体 在Ms以上施加应力时 马氏体在与相变应变相适应的应力方向形成并使合金产生宏观变形 加热到Af以上 马氏体逆转变回奥氏体 变形随之消失 实现形状记忆 Fe w Mn 28 33 w Si 5 6 合金 有较好的记忆效应 Ms点在室温附近 Fe Cr Ni Mn Si Co合金 有较好的记忆效应 回复变形高达4 Ms 173 323K 耐蚀性很好 11 四 记忆合金的应用应用领域 温度继电器 玩具 机械 电子 自动控制 机器人 医疗热机等 用记忆合金作铆钉 12 用记忆合金作管接头在Af以上记忆合金管接头的内径比管子的外径略小 在Mf以下 对管接头进行扩径 并将管子插入被扩径的接头