第4章形状记忆合金

1、智能材料与智能系统 形状记忆合金及其在智能结构中的应用 形状记忆合金复合材料及其智能属性 NiTi合金丝复合材料 NiTi形状记忆合金颗粒复合材料 NiTi合金丝复合材料 将预应变NiTi形状记忆合金复合于基体材料中， 采用通电加热方式对NiTi丝激励。 当温度高于As时，在无约束状态下，它 恢复到原来长度。 若恢复过程受到边界条件限制，则NiTi 合金产生回复应力。 NiTi丝的力学行为随激励温度变化而变化。 原理 NiTi合金丝复合材料 原理 从图中可知，未经激励的 NiTi丝弹性模量为34.5 GPa， 屈服应力为275.8 MPa，激 励后的NiTi丝弹性模量为69 GPa，屈服应力为

2、965 MPa。 可见激励后引起的相变促使 材料内部性能有很大的变化。 人们利用这一原理把形状记 忆合金丝或颗粒作为复合材 料的增强剂。 NiTi合金丝复合材料 步骤 形状记忆合金处于奥氏体状态，复合于基 体中； 复合材料冷却到Mf以下，使形状记忆合 金处于马氏体状态； 使复合后材料变形； 当温度升到As以上时，因形状记忆合金 收缩受到基体的约束，在复合材料中产生 压应力，使得复合材料的拉伸性能提高， 从而使内部的损伤裂纹自动闭合。 NiTi合金丝复合材料 分析 将预应变NiTi合金丝复合于基体材 料中, NiTi合金丝受到热激励后， 力图收缩l 长度，如图4-23所示。 NiTi丝回复力作用

3、于基体材料上， 使基体材料压缩X，基体材料阻止 NiTi丝回复，相当于对NiTi合金丝 作用一拉力，使其伸长 l 1= l - X。 将NiTi合金丝(表面绝缘处理)复合于ZL-105铝合金 基体后,NiTi合金丝使裂纹附近应力和张开位移大为 降低。 利用NiTi合金伪弹性特点，可使抗裂纹萌生寿命提 高2.3倍，裂纹从0.68mm扩展到1.22mm的疲劳寿 命提高1.83倍。 利用NiTi合金热激励产生回复力特性，可使裂纹萌 生寿命提高4.68倍，裂纹从0.68 mm扩展到1.22 mm的疲劳寿命提高3.95倍。可见，利用NiTi记忆 合金丝抑制裂纹效果是明显的。 NiTi合金丝复合材料 结论

4、 NiTi合金颗粒复合材料 原理 金属基复合材料MMCs具有一系列与金属性能相类似的 特点，与目前广泛使用的树脂基复合材料和其他复合材 料(如陶瓷基复合材料)相比，作为结构材料它兼有高强 度、高弹性模量、高韧性和冲击性能。但是，金属基复 合材料也存在一些问题。它们通常是采用高温制备随后 冷却的方法将增强剂复合于金属基体中，由于增强剂与 基体膨胀系数不同，往往在复合材料中产生残余应力。 在大多数MMCs中。增强剂的膨胀系数小于基体的膨胀 系数，从而在MMCs形成拉应力。这种拉应力会大幅度 降低屈服强度。当增强剂的膨胀系数大于基体的膨胀系 数时，MMCs的残余应力为压应力，能提高屈服强度， 尤其是

5、提高断裂韧性KIC将SMAs复合于金属材料基体 中，利用SMAs的记忆效应，在基体中形成压应力，能 提高强度与弹性模量。 记忆合金颗粒复合于金属材料基体中，基于形状 记忆效应原理，粒子可具有自增强基体的特性。 自增强的机理简述如下。 (1)假设粒子近似球形，均匀分布在Al基体中，粒 子与基体完全联接在一起形成弹性体，如图4-24(a) 所示。通过处理使粒子的母相转变终了温度Af低 于使用温度，从而在使用温度下，粒子是母相状 态。 (2)降低温度至马氏体转变终了温度Mf以下，使粒 子呈马氏体状态，如图4-24(b)所示。 (3)使样品产生一定量的变形，从而处于马氏体状 态的粒子产生预应变，如图4

6、-24(c)所示。 (4)使变形后的样品温度升高至使用温度。由于使 用温度高于Af，粒子中的马氏体相逆转变为母相， 预应变的粒子恢复成球形，如图4-24(d)所示。由 于基体的约束作用，粒子不能恢复成球形，在样 品拉伸方向产生压应力，从而提高复合材料抵抗 拉伸变形能力，起到增强作用。 NiTi合金颗粒复合材料 机理 形状记忆合金的应用 提高冲击韧性 主动控制裂纹产生和扩展 主动控制振动 良好“自适应”耐疲劳磨损 作自适应紧固件、连接件和密封垫 热敏控制器 医学方面应用 智能机械 在宇航空间技术方面 提高冲击韧性应用 有些高分子材料在加载、卸载过程中，由于不存 在塑性屈服而呈现脆性，冲击韧性往往

7、很低，例 如石墨树脂复合材料在使用中的最大缺点是不 耐冲击。当应力超过屈服强度时，复合材料不发 生塑性屈服而呈现突然灾难性断裂。有人曾采用 橡胶增韧和在复合材料内部形成热塑性纤维基 体界面层增韧方法，但效果均不理想。 将编制成网状的NiTi记忆合金丝贴在高分子材 料表面，明显提高了冲击韧性。比较NiTi记忆 合金、高分子和金属材料(Al、不锈钢)发现，当 超过NiTi记忆合金马氏体相变临界应力时，首 先发生应力诱发PM相变而吸收能量，并产生 5可恢复应变，而Al合金和304不锈钢却早已 产生不可恢复的塑性，可见NiTi记忆合金在断 裂前可吸收大量能量。 主动控制裂纹产生和扩展应用 裂纹及损伤的

8、主动探测和控制是当前实际工程中十分突出 和迫切需要解决的问题。在航空航天器、运输机械、起重 机、桥梁和管道等大型设备中的一些关键受力部件对裂纹 和损伤十分敏感，一旦出现就会造成重大事故，而采用传 统技术和方法尚不能检测构件中裂纹的产生和扩展。 根据NiTi合金具有电阻率大且对应变敏感等特点，可将其做 成电阻应变片。借助电阻应变片测试应变原理，可利用NiTi 合金丝进行构件内裂纹的探测。 将NiTi记忆合金丝复合于环氧树脂中，当裂纹扩展到所要求 的控制范围时，对位于裂纹处的NiTi合金丝通电加热。当温 度超过As时NiTi丝回复，回复力使裂纹闭合或裂纹张开位移 减小。 应用主动控制裂纹产生和扩展

9、 应用主动控制振动 选用柔性高分子材料作为梁，在其端部加一质量为m的块来调整固有 频率。在梁的两侧面加人预应变4%的马氏体状态的NiTi丝(直径为0.46 mm)作为驱动组元，在粱的一侧面加入预应变为1的伪弹性NiTi丝 (直径为0.2 mm)作为感知组元。给悬臂梁端部一定的初始位移量，分 别在主动阻尼控制系统未工作和工作两种状态下，测得系统自由振动 衰减的时间历程，如图4-30和4-31所示。由图可见，主动阻尼控制系 统工作后，振动得到明显抑制。 NiTi形状记忆合金的振动主动阻尼控制试验和仿真 结果表明： NiTi形状记忆合金可灵敏地感知振动，并可有效地 抑制振动。它的显著特点是通过对Ni

10、Ti丝加热或冷 却产生驱动力，而加热和冷却均需要一定时间， 所以这限制了NiTi合金的应用范围，而仅仅局限于 控制低频振动。 主动控制振动应用 应用 形状记忆合金的良好“自适应”耐疲劳磨损 近年来的研究表明，形状记忆合金除具有形状记忆、 伪弹性和高阻尼外，还具有良好的耐磨损性能。 一般金属材料，例如碳钢的弹性应变小于0.2，当磨粒 压入材料表面时，发生塑性变形的几率较大，而发生弹 性变形的几率较小。因此，当与高硬度的摩擦副配对构 成两体磨粒磨损时，将表现出较高的磨损率。 一般金属弹性应变 值很小，由于摩擦 副的法向载荷作用， 微凸体必然产生塑 性变形，而发生冷 焊或热焊，并在随 后的分离过程中

11、发 生磨损。磨损过程 如图4-33(a)(d) 而处于伪弹性状态的NiTi 记忆合金，弹性应变值在 8%以上，比一般金属高出 12个数量级。微凸体有 足够的弹性形变量来抵消 a，接触时发生完全弹 性变形，分离时微凸体又 恢复到接触前的形状和尺 寸(图4-33(e)、(f)，即没 有发生材料损失。所以伪 弹性似乎带来了磨面的 “自适应”能力，磨面损 伤较小。这就是形状记忆 合金耐磨损机理 形状记忆合金的良好“自适应”耐疲劳磨损 应用 作自适应紧固件、连接件和密封垫 应用 NiTi合金的第一个工业应用是用作自 动紧固件，即用作受热收缩的管接头。 它是于1968年由美国加州的 Raychem公司生产

12、的，取名为 “Cryofit”，意思是低温下的紧固。 使用方法是把制作好的记忆合金管接 头(一般内径比连接的管子外径小4 左右)放在低温(TMf)下扩大管径， 然后套在要连接的管子头上(因为马 氏体很柔软)。当管接头渐渐升温超 过As温度时，它将收缩到原来的形状， 从而将管子牢固地连接起来。如果这 类管子在室温或室温以下工作的话， 它们的结合是极为牢固的。美国海军 军用飞机采用这种高效用的NiTi接头 已超过30万个，至今无一例失败。 作自适应紧固件、连接件和密封垫 应用 形状记忆合金连接系统为计 算机、数据储存、通信和发 射等军用或民用系统提供了 可靠连接。在光通信中光导 纤维的对中连接就是

13、采用一 种称为闷头连接器的连接件， 如图4-35所示。当加热时， 形状记忆合金的闷头连接器 的小塞头就与大的环圈连锁。 冷却时，两个元件很牢固地 连接在一起，保证了光导纤 维的对中。 SMAs是一种热敏材料。它可以按环境条件选取适当的 合金，控制其Ms、Af及变温范围，借助SMAs的形状记 忆达到控温目的。很显然，它与常见的光电、压电、热 电等感知器的原理不同，后者是在感知信号后输出电信 号(或其他信号)，仅具有“感知”职能。SMAs不仅可 作为感知器，更重要的是可兼负驱动作用。 热敏控制器 应用 电位器控制开关 图4-36所示为电加热水壶的手柄控制器，柄 内装有一只SMAs制作的弹簧。水开后

14、，蒸 汽吹至SMAs元件上发生马氏体向奥氏体相 变，弹簧伸长带动按钮推开电触头，达到自 动切断电源目的。同双金属片比较，SMAs 元件机构简单，双金属片挠曲量相对SMAs 要小得多。一块长50mm、厚1mm的双金属 片在100温差产生的挠度仅2mm4mm， 而在相同条件下SMAs却可得到20mm挠度， 因而用后者更为灵敏可靠。 形状记忆合金在医学方面的应用应用 NiTi记忆合金在医学领域具有很多用途，例如牙齿整形、脊椎侧 弯哈氏棒、妇女避孕环、人工关节和接骨板等，已成为商业性 的生物医用材料。 用记忆合金丝制成的螺线导管，前端装有内窥镜，穿入光 纤用作显示图像，其形状可随器官的形状自如地变化，

15、极 易插入体内，同时可提高尖端工作部分的操作性能，还可 大大减小受检者的痛苦。是一种柔软并能自由弯曲的“能 动型”内窥镜。 目前正在研究防止血栓的过滤器。将这种过滤器插入患者 静脉就可防止血栓进入心脏或肺脏。将NiTi丝作为人工心肌 纤维包裹在弹性体制成的人工心脏外部，周期性地给以电 脉冲加热，则可使心脏伸缩运动。如能成功地植入人体， 那将给成千上万的心脏病患者带来福音。 应用 智能机械 在汽车制造中的应用 可用形状记忆合金制造汽车外壳。当车体遭到碰撞变 形时，只要对损坏部分加热，就可自动恢复汽车的原 来模样。另外，形状记忆合金丝也可夹制在汽车轮胎 内，当紧急刹车时，因轮胎与地面摩擦产生大量热， 使夹在轮胎中的合金丝动作，从而有效地刹车。 作记录笔的驱动装置 形状记忆合金已成功地用于工业记录仪表中的记录驱 动装置。这种装置装有一根保持在拉应力下的NiTi丝。 输入