形状记忆合金原理

1、 神奇的功能材料神奇的功能材料形状记忆合金形状记忆合金 北京交通大学北京交通大学 张克军张克军 2022-3-42神奇的功能材料神奇的功能材料形状记忆合金形状记忆合金v形状记忆效应形状记忆效应vTi-Ni形状记忆合金的原理形状记忆合金的原理vTi-Ni形状记忆合金的驱动性能研究形状记忆合金的驱动性能研究v形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用2022-3-43 1932年，年，瑞典人奥兰德瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到在金镉合金中首次观察到“记忆记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热效应，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到一定的跃变温度时，

2、它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。忆合金。 形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支，可以认为是始于识，并成为一个独立的学科分支，可以认为是始于1963年。当时年。当时美国的海军武器实验室美国的海军武器实验室的的W.J.Buchler博土研博土研究小组，在一次偶然的情况下发现，究小组，在一次偶然的情况下发现，TiNi合金工件因为合金工件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明

3、该合金的声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究，将这种材的声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究，将这种材料制成的细丝的一端弯曲，并靠近点烟火柴火焰，发现料制成的细丝的一端弯曲，并靠近点烟火柴火焰，发现弯曲的细丝伸直了。弯曲的细丝伸直了。 形状记忆效应形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称简称SME)形状记忆效应形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度将材料在一定条件下进行一定限度 以内的变形后，再对材料施加适当以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失的外界条件，材料的变形随之消失 而回复到变形前的形状的现象。而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效

4、应的材料具有形状记忆效应的材料形状记忆材料形状记忆材料形状记忆合金形状记忆合金 一般金属材料收到外力作用后，首先发一般金属材料收到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性变形，应力消除后就产生了永久变形。有些变形，应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形，金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。从而形成残余形变。 具有形状记忆效应的金属，通常是由具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金种以上的金属元素构成的合金，故称为属元素构成的合金，故称为形状记忆合金形状记忆合金 (Shape Memo

5、ry Alloys，简称，简称SMA)。 20世纪世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆合形状记忆合金金 形状记忆效应可分为形状记忆效应可分为3种类型：种类型： 单程形状记忆效应单程形状记忆效应 双程形状记忆效应双程形状记忆效应 全程形状记忆效应全程形状记忆效应 形状记忆合金形状记忆合金单程形状记忆效应单程形状记忆效应材料在材料在高温下高温下制成某种形状，制成某种形状， 在在低温相低温相时将其任意变形，时将其任意变形， 再加热时恢复为高温相形状，再加热时恢复为高温相形状， 而重新冷却时却不能恢

6、复低而重新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。温相时的形状。 形状记忆合金形状记忆合金单程形状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷加热时恢复高温相形状，冷 却时恢复低温相形状，即通却时恢复低温相形状，即通 过温度升降自发可逆地反复过温度升降自发可逆地反复 恢复高低温相形状的现象，恢复高低温相形状的现象， 或称为或称为可逆形状记忆效应可逆形状记忆效应。 形状记忆合金形状记忆合金双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程形状记忆效应全程形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为却时变为形状相同而取向相反形状相同而取向相反 的高温相

7、形状的高温相形状的现象。只能在的现象。只能在 富镍的富镍的Ti- Ni合金合金中出现。中出现。 形状记忆合金形状记忆合金全程形状记忆效应全程形状记忆效应马氏体相变与形状记忆原理马氏体相变与形状记忆原理热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变超弹性和伪弹性超弹性和伪弹性应力诱发马氏体相变应力诱发马氏体相变形状记忆合金形状记忆合金普通的马氏体相变是普通的马氏体相变是钢的淬火强化钢的淬火强化方法，即把钢加方法，即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。大部分合金和陶瓷记忆材料

8、是通过大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体热弹性马氏体相变相变而呈现形状记忆效应。而呈现形状记忆效应。马氏体相变与形状记忆原理马氏体相变与形状记忆原理奥氏体奥氏体(A) 马氏体马氏体(M)45钢淬火工艺曲线钢淬火工艺曲线AM钢的马氏体相变不可逆钢的马氏体相变不可逆冷却冷却加热加热形状记忆合金形状记忆合金在某些合金中发现在某些合金中发现热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即的母相状态，即马氏体随着温

9、度的变化可以可逆地长马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小大或缩小热弹性马氏体热弹性马氏体AM 可逆性可逆性冷却冷却加热加热形状记忆合金形状记忆合金具有具有较较低的对低的对称性称性的的正交或正交或单斜晶单斜晶系，内系，内部是孪部是孪晶变形晶变形或层错或层错具有具有较较高的对高的对称性称性的的立方点立方点阵阵形状记忆效应的实质：形状记忆效应的实质：是在是在温度的作用温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、下，材料内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。变化、消失的相变过程的宏观表现。 热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。形状记忆合形状记忆合金金

10、形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金形状记忆合金超弹性或伪弹性超弹性或伪弹性 形状记忆合金发生超弹形状记忆合金发生超弹 性变形的应力应变曲线性变形的应力应变曲线 (Af温度以上加载）温度以上加载） 产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在Af温度以上诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性弹性和相变密切相关，叫做相变伪弹性 或超弹性在在T0与与Ms之间的某一温度之间的某一温度对合金施加外力对合金施加外力也可引起马氏体转

11、变。也可引起马氏体转变。由外部应力诱发产生的马氏体相变称为由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱应力诱发马氏体相变发马氏体相变 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。本质：应力作用使材料的本质：应力作用使材料的MS点升高。点升高。应力诱发马氏体相变应力诱发马氏体相变2022-3-417Ti-Ni形状记忆合金的驱动性能研究形状记忆合金的驱动性能研究v预应变预应变Ti-Ni合金丝在加热合金丝在加热、 冷却过程的回复力冷却过程的回复力温度曲线温度曲线vTi-Ni合金储能合金储能、耗能耗能、输出功与温度和预应变关系输出功与温度和预应变关系vTi-Ni

12、合金热合金热-机循环过程中的应力机循环过程中的应力应变应变温度关系温度关系v形状记忆合金的阻尼特性形状记忆合金的阻尼特性 Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金 优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好 缺点：制造过程较复杂，价格高昂缺点：制造过程较复杂，价格高昂 Ti-Ni合金通过在合金通过在1000左右固溶后，在左右固溶后，在400进行时效处理，再淬火得到马氏体。进行时效处理，再淬火得到马氏体。形状记忆合形状记忆合金金 形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用形状记忆合金形状记忆合金高技术中的应用高技术中的应用 ： 制造人造卫星天线制造人造卫星天线

13、Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5 5厘米以下的小团，放入阿波罗厘米以下的小团，放入阿波罗1111号的舱内，在月面上经太阳光号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状, ,从而能从而能用空间有限的用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。火箭舱运送体积庞大的天线。形状记忆合金形状记忆合金工程应用工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等紧固件、连接件、密封垫、管件接头等 形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金形状记忆合金医疗领域应用医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（夹、接骨板等（Ti-Ni合金）合金） 支撑性与柔韧性完美协调支撑性与柔韧性完美协调 的的Ti-Ni记忆合金食道记忆合金食道支架支架形状记忆合金形状记忆合金智能应用智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为 一体一体 的新型材料，可广泛应用于