中科大功能金属材料课件第5章 形状记忆合金

设想自动张开收缩的窗帘自动控制水温的热水器形状记忆合金

（ShapeMemoryAlloys）

一、形状记忆效应(ShapeMemoryEffect)二、形状记忆效应的机理(Mechanism)三、相变超弹性(Pseudoelasticity)四、形状记忆合金材料(SMAMaterials)

五、形状记忆合金的应用(Applications)六、材料学方面的问题(Problems)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。

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。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.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(ShapeMemoryEffect)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（TwoWayMemoryEffect，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-waymemory)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-RoundShapeMemoryEffect，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。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①马氏体相变是热弹性类型的；②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移产生；③母相和马氏体相均属有序结构。1、热弹性马氏体相变

(ThermoelasticMartensitic

Transformation)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-THERMOELASTICMARTENSITE

THERMOELASTICMARTENSITE

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)FractionmartensitethermalhysteresisB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

Fractionmartensitethermalhysteresis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(ThermoelasticMartensitic

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(Growthanddecayofamartensiticarrowinanausteniticmatrixuponcoolingandsubsequentheating.CuAl14Ni4.2(wt%)singlecrystal)Martensiticarrowinausteniticmatrix.CuAl14Ni4.2(wt%)singlecrystal冷却加热热弹性马氏体相变(ThermoelasticMartensitic

Transformation)transformationfrontpassingthroughthewireduringaloadcontrolledexperimentMartensitictransformationofIron-basedshapememoryalloyobservedinthelaboratory.2、马氏体相变机制马氏体相变是通过切变完成的，其亚结构为孪晶。形状记忆效应要求相变时体积变化小，这样才能降低应变能。形状记忆合金相变时围绕母相的一个特定位向常常形成四种自适应的马氏体变体(Variant），并以母相的惯习面呈对称排列，这四种变体合称为一个马氏体群，如右图所示。马氏体片群(011)[100]SMA中的孪晶马氏体TwinnedMicrostructureTaRu孪生组织内的透镜状孪晶TaRu孪生组织内的反向畴界具有粗细孪晶NbRu的典型组织自适应马氏体

Self-AccommodatingMartensiteCu-Zn形状记忆合金中的自适应马氏体Ti-48.2Ni-1.5Fe合金中R相自适应现象的光镜组织如不考虑母相原子区别，形状记忆合金的母相主要是体心立方结构，密排面(即惯习面)为{110}，因此，相变后的马氏体片群有六个，形成24种马氏体变体。当一片马氏体形成时，由于剪切变形，在周围母相中造成了很大的内应力，当在这片马氏体附近形成另一片马氏体变体时，便可抵消单片马氏体所产生的切应变，由四种变体组成的片群的总应变几乎为零，这就是马氏体相变的自适应现象。(011)[100]由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显然，不同取向的马氏体变体的应变在母相中的方向是不同的。当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加，变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已形成的变体周围会形成新的变体，新变体的应变方向与已形成的变体的应变场互相抵消或部分抵消。有均匀体积变化，无明显形状改变。马氏体的自适应形成右图中，A与C、B与D互为孪晶，当其变形时,假设应力方向与A的应变方向相近，这时D、C就会以孪生方式向A转变，并以界面的移动合并B。同样，六个群体也可互相转化，最后24个变体可变成一个方位的单晶马氏体，这就是马氏体再取向过程，当大部或全部马氏体都采取一个取向时，便显示出明显的变形。马氏体变体

Martensite

variants对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外加应力相适应而再取向。即变体的应变方向与外加应力方向最接近的变体通过吞并其它应变方向与外加应力不相适应的变体而长大，直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转变成一个变体。这时，由母相转变为马氏体所产生的相变应变不再互相抵消，而是沿外加应力方向累积起来，样品显示出宏观形状的变化。卸去应力后，变形保持下来。

马氏体的再取向只有将其加热到Af以上，由于热弹性马氏体在晶体学上可逆性，也就是在相变中形成的各个马氏体变体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系，因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样也就回复到原状。这就是形状记忆的基本原理。形状记忆合金变化机理示意图

形状记忆效应机理示意图

母相→冷却→马氏体→变形→变形马氏体→变形→变形马氏体→加热→母相5.13形状记忆效应过程示意图热弹性马氏体相变合金的形状记忆原理由上述讨论可知，具有形状记忆效应的合金应具备如下条件：①马氏体相变是热弹性的；②马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或位错；⑦母相和马氏体均为有序点阵结构；④相变时在晶体学上具有完全可逆性。☞必须指出的是：近来开发的铁系等少量合金通过非热弹性马氏体相变也可显示形状记忆效应，因此热弹性马氏体并不是具有形状记忆效应的必要条件。☞近年来，在陶瓷材料、高分子材料也发现了记忆效应。半热弹性马氏体相变合金的形状记忆原理5.14具有半热弹性马氏体相变合金形状记忆效应机理示意图3、相结构(PhaseStructure)母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构比较简单，主要是B2和DO3。如果不考虑原子差别，两者都是体心立方。马氏体的晶体结构复杂一些，大多为长周期堆垛。同一母相转变得到的马氏体可以有几种结构。马氏体奥氏体形状记忆合金的相结构

NiTi合金的相变DifferentphasesofanSMATemperature-inducedphasetransformationofanSMANickel-Titanium合金的相结构B2(cesiumchloride)crystalstructure.B19’crystalstructure.Parentβ(austenite)phasewithB2structureMartensitephasewithmonoclinicB19’structure三、相变超弹性(Pseudoelasticity)

马氏体还可由应力诱发产生，在高于Ms的某一温度（Md）以下对合金施加外力引起马氏体相变所形成的马氏体称应力诱发马氏体。应力去除后，变形马氏

形状记忆合金和超弹性变化的机理示意图体又变回该温度下的稳定母相，恢复母相原来形状，应变消失,这种现象称超弹(Superelasticity)或伪弹(Pseudoelasticity)

☞应力诱发马氏体相变的合金的马氏体数量为外加应力的函数，即当施加的外应力增加时，母相转变成马氏体相的数量增加，当应力减少时则进行逆相变使母相增多。☞外应力对诱发相变的作用不仅与合金种类有关，而且受试验温度的影响。在Ms以上，某一定温度以下，应力或形变会导致马氏体的形成，将此温度称为Md温度。

形状记忆与超弹性形状记忆过程马氏体自适应形（Ms–Mf）宏观均匀变形，无明显形状变化马氏体再取向（

Mf以下施加一定限度内的应力）有明显形状变化马氏体逆转变回母相形状变化消失施加应力马氏体沿应力方向择优形成（Md以下）有明显形状变化卸除应力马氏体逆转变回母相（Af以上）形状变化消失超弹性过程超弹性合金应力-应变曲线温度与应力-应变关系超弹性与温度和滑移变形临界应力有关，如下图所示。当滑移变形临界应力高时(A)，在As温度以上，外应力只要高于诱发马氏体相变的临界应力，就可以产生应力诱发马氏体，去除外力，马氏体立即转变为母相，变形消失。当滑移变形临界应力低时(B)，在外力作用下，还未诱发相变便先发生滑移变形，因而不出现超弹性。

形状记忆效应与超弹性出现条件模式图

SchematicrepresentationoftheappearanceofSMEandpsuedoelasticity

超弹性不仅出现于受应力作用的母相,也出现于Ms以下受应力作用的马氏图中诱发马氏体的临界应力的斜率由Clausius-Clapeyron公式决定：。式中，

为诱发相变的临界应力,T为温度，

H为相变焓，

为应力诱发相变时试样延伸率。体，这是由于应力诱发出具有其他结构不稳定的马氏体。应力去除后，诱发的不稳定马氏体逆转变为原来的马氏体而显示出超弹性。超弹性合金的弹性变形量可达百分之几到20%，且应力与应变是非线性关系。Typicalstress-straincurvesatdifferenttemperaturesrelativetothetransformation,showing(a)Austenite,(b)Martensite,and(c)Pseudoelasticbehavior超弹性Eyeglassframes四、形状记忆合金材料

(SMAMaterials)

已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。根据现有资料，将各种形状记忆合金汇总于下表。

人造卫星天线：记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中。1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆，实现了人类第一次登月旅行的梦想。宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的直径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。1、Ni-Ti形状记忆合金基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳，耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、生物相容性好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。

NiTiWiresforGlassesFrames用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到舱面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。(1)

Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变具有形状记忆效应的NiTi合金的成分就在近等原子比的范围内5.21Ti-Ni合金相图注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随后的冷却不够快(如炉冷)，就会产生Ti2Ni和Ni3Ti这三个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。基本相－TiNi相：晶体结构是B2(CsCl结构)的母相马氏体的结构为单斜晶体结构是棱面体点阵的R相（适当的热处理或成分条件下出现）T5.22NiTi合金相变过程的电阻—温度曲线

R相变和M相变均为形状记忆的来源。

Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程R相变不出现记忆效应由单一相变贡献母相马氏体母相R相马氏体依成分和预处理条件的不同相变过程都是热弹性马氏体相变R相变出现记忆效应由两个相变阶段贡献加铁、时效☞表征材料记忆性能的主要参数：包括记忆合金随温度变化所表现出的形状回复程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，也就是经历一定热循环或应力循环后记忆特性的衰减情况。此外，相变温度及正、逆相变的温度滞后更是关键参数。☞影响记忆特性主要参数的因素有：合金的成分、成材工艺、热处理(包括冷、热加工)条件及其使用情况等。

1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相变温度降低10℃。2)第三元素:Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni可减少相变滞后，节约合金成本；Nb使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。(2)影响相变温度的因素(3)合金制备

☞由高纯电介镍与海绵钛作原料，采用高频感应炉与自耗炉(电弧熔炼法)或等离子体与电弧熔炼法获得了TiNi合金铸锭。☞随后在700~800℃进行热加工，包括模锻、挤压及轧制。丝状产品可通过冷拔，每次加工率小于20％，为消除加工硬化，冷加工期间可在700-800℃进行多次退火。(4)形状记忆处理A单程记忆效应：

1）中温处理：

为获得记忆效应，一般将加工后的合金材料在室温加工成所需要的形状并加以固定，随后在400-500℃之间加热保温数分钟到数小时（定形处理）后空冷，就可获得较好的综合性能。2）低温处理：

对于冷加工后成形困难的材料，可以在800℃以上进行高温退火，这样在室温极容易成形，随后于200-300℃保温使之定形。此种在较低温度处理的记忆元件其形状恢复特性较差。3）时效处理：

☞富Ni的TiNi合金需要进行时效处理，一则为了调节材料的相变温度，二则可以获得综合的记忆性能。☞处理工艺基本上是在800-1000℃固溶处理后淬入冰水，再经400-500℃时效处理若干时间（通常为500℃1小时）。随着时效温度的提高或时效时间的延长，相变温度Ms相应下降。此时的时效处理就是定形记忆过程。B双程记忆效应：

1）记忆训练（又称锻炼）：☞首先如同单向记忆处理那样获得记忆效应，但此时仅可记忆高温相的形状。

☞随后在低于Ms温度，根据所需的形状将试件进行一定限度的变形（变形量应大于10%）；然后再加热到Af以上温度，使其回复到高温态的形状，再降温到Ms以下，再变形使其又成为低温时所需形状，如此反复多次后，就可获得双向记忆效应。☞将Af点小于室温的镍钛合金，经700℃固溶以后，在Af点以上温度变形并约束此形状，在500℃左右进行时效处理。2）约束处理：

☞约束处理获得双程记忆效应的工艺简单，一致性好，目前已成为双程记忆元件的主要方法。C全方位记忆效应：☞对于Ti-51％（原子分数）Ni合金不仅具有双向记忆性能，而且在高温与低温时，记忆的形状恰好是完全逆转的。☞这是由于与基体共格的Ti11Ni14析出相产生的某种固定的内应力所致。应力场控制了R相变和马氏体相变的“路径”，使马氏体相变与逆转变按固定“路径”进行。全程记忆处理的关键是通过限制性时效，必须根据需要选择合适的约束时效工艺。5.23Ti-51%Ni（原子分数）合金500℃时效时间对全程记忆的影响由图可见，时效时间越长，自发形变就越难以发生。因此全程记忆处理的最佳工艺为：将Ti-51％Ni（原子分数）合金在500℃〔＜1小时〕或400℃〔＜100小时〕进行约束时效，要求约束预应变量小于1.3%。2、Cu基系形状记忆合金1）铜基形状记忆合金的种类：Cu-Zn-Al及Cu-Zn-Al-X（X=Mn、Ni）Cu-Al-Ni及Cu-Al-Ni-X（X＝Ti、Mn）Cu-Zn-X（X＝Si、Sn、Au）TiNi形状记忆合金的成本约为铜基记忆合金的十倍而使之应用受到一定限制。MartensiteinaCu-baseshapememoryalloyCu-Al-Mn形状记忆合金表1铜基形状记忆合金的成分和性能

与Ti-Ni合金相比，Cu-Zn-Al制造加工容易，价格便宜，并有良好的记忆性能。CuZnAl合金应用较广。2）铜基形状记忆合金的相变：其成分范围是确保其在高温时仅以β单相存在，故仅限于Cu-14Al-4Ni％（质量分数）附近的很狭窄的区域。ACuAlNi形状记忆合金从β单相区淬火，共析分解受阻，并在Ms以上温度自发完成无序β向有序DO3结构（βl相）的无序-有序相变，当温度低于Ms，发生马氏体相变。DO3(β1)→2H(β')CuZnAl合金在快速冷却中经无序-有序转变产生CsCl型的B2结构的β2相，根据成分不同，在较高温区又会自发产生B2向DO3的有序转变，所以在常温下往往具有DO3结构。由此而产生马氏体的相变过程BCuZnAl形状记忆合金无序β→有序B2(β2)→9R(β'2)无序β→有序B2(β2)→有序DO3(β1)☞铜基形状记忆合金出现的相变马氏体或应力诱发马氏体种类较多、结构复杂。☞铜基形状记忆合金一般只有热弹性马氏体相变。3）铜基形状记忆合金的相变温度A合金成分和处理条件例如Cu-14.1Al-4.0Ni合金在1000℃固溶后分别淬入温度为15℃与100℃介质中，其合金的Ms对应为-11℃与60℃。因此实际应用中，可以利用淬火速度来控制相变温度。相变温度对Al含量都很敏感：CuZnAlMs＝2221-52x(％Zn(质量分数))-137x(％A1(质量分数))CuAlNiMs＝2293-45x(％Ni(质量分数))-134x(％A1(质量分数))B合金在使用过程中的时效也是导致材料性能波动的重要原因之一。☞时效中母相的共析分解使合金硬度提高，形状记忆效应明显下降☞马氏体状态时效引入空位，钉扎了母相与马氏体相的界面以及马氏体之间的界面，引起马氏体相稳定，导致逆相变温度提高。☞加入适量稀土和Ti、Mn、V、B等或采用粉末冶金和快速凝固法等使合金晶粒细化，达到改善合金性能的目的。CCuAlNi等铜基合金在反复使用中，较易出现试样断裂现象，其疲劳寿命比TiNi合金低2~3个数量级。

4）形状记忆效应的获得

单向记忆处理是将成形后的合金元件加热到β相区保温一段时间（CuZnAl合金在800~850℃保温10分钟），使合金组织全部变成β相，直接淬入室温水或冰水中（淬火介质温度在Af以上）。A单向记忆处理☞为了防止淬火空位在使用中的扩散，将淬火后的元件立即放入100℃水中保温适当时间，使组织稳定化。☞可以来用分级淬火的方法，将全部为β相的元件先淬入150℃油中，停留一定时间（大于2分钟），再淬入室温水中，这种处理可以使CuZnAl合金在327℃附近的B2→DO3转变充分。这样既可以避免由于时效引起的性能不稳定性，又由于DO3向18R的马氏体相变而获得良好的热弹性。B双向记忆处理双向记忆效应可以通过与TiNi合金相同的训练法获得。3.Fe基合金金。该系列的形状记忆合金具有优良的耐蚀性和高温抗氧化性及良好的形状记忆特性，适用于制造管接头、各种形式的紧固件，也适合于制作人体植入物，等等。近年来，对铁基形状记忆合金的研究主要集中在以Fe-Mn-Si合金上。铁基形状记忆合金有Fe-Ni-Co、Fe-Ni-Ti-Co、Fe-Ni-Al-Ti、Fe-Ni-Al和Fe-Mn-Si系合PipejointsofFe-Mn-Sishapememoryalloy主要分为三类1）铁基形状记忆合金的种类：面心立方γ

体心立方（四角）α

（薄片状M）面心立方γ

密排六方ε-M面心立方γ

面心正方（四角）（薄片状M）☞早期发现的铁基形状记忆合金FePt和FePd等由于价格昂贵而未能得到应用。这类铁基形状记忆合金的记忆效应既可通过热弹性马氏体相变来获得，也可通过应力诱发马氏体相变而产生。☞与其它形状记忆合金不同，FeMnSi等铁基形状记忆合金的结构是无序的，并不呈现热弹性马氏体相变的特征。因此其记忆效应机理具有特殊性。☞研究表明FeMnSi记忆合金的形状记忆效应是由应力诱发ε-马氏体的逆转变引起的，而冷却引起的相变并无贡献。☞利用ε-马氏体相变具有体积变化小，能抑制滑移变形等特点，使其逆相变时呈现形状记忆效应。作为形状记忆材料的FeMnSi合金，必需使应力诱发的ε-马氏体具有可逆性。表2铁基形状记忆合金的成分和性能

表3两种铁基形状记忆合金的特性4.Magneticshapememoryalloys

Magneticshapememory(MSM)alloysaresmartma-terialswhichcanundergolargereversibledeforma-tionsinanappliedmagneticfield.Assuch,theycanfunctionbothassensorsandasactuators.Comparedtotheordinary(temperaturedriven)shapememoryalloysthemagneticcontroloffersfasterresponse,astheheatingandespeciallycoolingisslowerthanapp-lyingthemagneticfield.Also,themaximumdeformationobtainedfromMSMalloysislargerthanintheordinarymagnetostrictivematerials.ApieceofNi2MnGainachangingmagneticfieldMagneticfieldinduceddeformationsmechanismWhentheexternalfieldisapplied,themagneticmomentstrytoalignwiththefield.Thetwinsthemselvesmovesothatthedirectionsoftheeasymagnetizationsalignwiththefield.Magneticfieldinducedredistributionofthetwinvariantsgivesthelargeshapechanges.ThemagneticmomentswithouttheexternalfieldTherotationofthemagneticmomentswithinthetwins

Theredistributionofthetwinvariants

FerromagneticShapeMemoryMaterials—Ni2MnGapolycrystalEtchedsurfaceofaNi2MnGapolycrystal.Martensitictwinnedmicrostructureisvisiblewithinthegrains.MakingSMA五、形状记忆合金的应用(Applications)作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。

形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是1.工业上的应用⑴连接件：用作连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。形状记忆效应应用最简单的例子是外部无法接触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管接头，连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外径小4%，在Ms以下马氏体非常软，可将接头扩张插入管子，在高于As的使用温度下，接头内径将复原。(a)成型(T>Af)(b)弯曲应变(T<Mf)

(c)插入(T<Mf)

(d)加热(T>Af工作温度)

形状记忆合金铆接件铆接示意图

形状记忆管接头使用示意图形状记忆合金管接头美国Raychem公司大量用Ti-Ni记忆合金作F-14战斗机油压系统管接头，使用了10万多个，至今未发生破损或脱落等事故。

F-14记忆合金紧固圈记忆合金紧固圈用于电子微组装技术中薄壁罐与封头的密封用形状记忆合金作紧固件、连接件的优点是：①夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；②适于不易焊接的接头，如严禁明火的管道连接、管路连接件焊接工艺难以进行的海底输油管道修补等。③金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；④安装时不需要熟练的技术。

⑵热敏元件：利用形状记忆合金弹簧可以制作热敏驱动元件用于自动控制，如温室窗户开闭器、空调器阀门、发动机散热风扇离合器、灭火器开关等。Incoldseason,ventunderhouseclosesforbetterheatingefficiency.Inhotseason,itopenstoreleasethemoisture.Underfloorvent(地板通风口)Airconditionerforheatingandcooling(空调)SMAspringchangesthedirectionoflouvertoupwardwhencoolinganddownwardwhenheating.有人用记忆合金黄铜弹簧制成防烫伤莲蓬头，当水的温度太高时，弹簧可以自行关闭热水，以防止淋浴时意外烫伤。混水阀利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。SMA火灾报警器利用记忆合金在加热形状恢复时其恢复力可对外做功的特性，能够制成各种驱动元件。优点：结构简单，灵敏度高，可靠性好；行程长度/重量比大；单位质量的输出力大；驱动器动作方向不受限制；特定温度下动作迅速；对环境条件不敏感；动作无噪音。解锁机构偏置机构记忆合金弹簧与普通弹簧构成的偏置机构形状记忆合金第三节形状记忆合金的应用形状记忆合金第三节形状记忆合金的应用记忆合金驱动的空间有用载荷释放机构Ricecooker形状记忆合金在生活上的其他应用AdoptedintotheBoilerforshower,SMAinsidewillstopthewaterflowovercertaintemperature.Anti-scaldvalveCoffeemaker

SMAspringreleaseshotwaterwhenboiledtopouritoverthecoffeebeans.形状记忆合金的运输应用-自动调节油阀AutomaticoilvalveadjustingequipmentforShinkansen

SMAspringopens/closesthetwowayvalveunitofAutomaticoilvalveadjustingequipmentforgearboxaccordingtooiltemperature,thevolumeofoilflowlubricatingthepiniongearsisoptimized.Thissystempreventstheoiltemperaturefromrisingatthehighspeedtravelling,andgivestheShinkansenstablerun.形状记忆合金在工业上的应用Automaticdesiccator(drybox)

SMAspringopensandclosesthedoortodischargemoistureinsideboxbyheatedwithheaterwhichalsoheat-recyclesthedesiccant.⑶智能材料：在智能结构中，形状记忆合金作为敏感材料和驱动材料.利用形状记忆合金的双向记忆功能可制造机器人的手臂、肘、腕等。Toytowalk记忆合金驱动机器人用于深水作业的六爪机器人装置结构示意图记忆合金丝驱动五自由度机器人手爪实物照片⑷热机：利用形状记忆合金可制造热机,实现热能-机械能转换.最早的热机Nickel-TitaniumwiresaredraggedCMWayman

等人的研究表明，SMA把热能转换为机械能的效率高达20%～25%.alternatelythroughhotandcoldoishowers.Underthehotshowertheycontractandtheirtensileforcesetsanobliquediskinrotation.Inthecoldshowerthewiresaresoftandarepulledbacktotheoriginallength.

用TiNi─1镍钛记忆合金制作的记忆合金热机实验装置。将冷热水分别置于两个水槽中，利用冷热水的交替作用，即可使水槽上方的螺旋桨转动或停止。⑸在航天上，可用形状记忆合金制作航天用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面形，在马氏体状态下压成团，送上太空后,在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超弹性合金作为机械储能材料也很有前景。用Ni-Ti合金制做卫星天线Apollo11号登月舱记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中。1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆。所用的直径数米大的天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱。放到月面上后，在阳光照射下温度升高，天线又恢复原来形状。Attitudecontrolsystemofastationarysatellite

同步卫星姿态控制系统Ashapememoryspringopensandclosesthesolarcellsthataremountedontheendsofsolarbatteries.Thisadjustsasatellite'spositiontothesolarwindandcontrolstheoverallattitudeofthesatellite.⑹其他：汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如不小心碰瘪了,只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便.形状记忆合金还可作为有效的减振装置使用。在马氏体状态下，对材料施加冲击力会因应变吸收振动能而使振动衰减。相同形状Al棒与NiTi棒的减振性能比较利用超弹性可制作手机天线、眼镜架、胸衣托架、耳机托架等。超弹性合金眼镜框用记忆合金制作的眼镜架。当这种眼镜架弯曲时，只要将它放入55。C的温水中，即可恢复到原来的形状。超弹性合金手机天线普通金属变形程度越大，恢复原状的反弹力就越强。形状记忆合金的反弹力几乎固定不变，即使用力弯曲，也能柔软地恢复为原来的形状，这就是所谓形状记忆合金的“超弹性”。日本最大的移