功能材料形状记忆合金.ppt

第三章形状记忆合金,Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线,形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称SME)形状记忆效应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。,具有形状记忆效应的材料形状记忆材料,具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称SMA)。20世纪80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。,形状记忆效应可分为3种类型：单向形状记忆效应双向形状记忆效应全方位形状记忆效应,单向形状记忆效应材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。,图1单向形状记忆效应,双向形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象，称为可逆形状记忆效应。,图2双向形状记忆效应,全方位形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象。只能在富镍的Ti-Ni合金中出现。,图3全方位形状记忆效应,3.1形状记忆原理3.2形状记忆合金材料3.3形状记忆材料的应用,普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法。,大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。,3.1.1热弹性马氏体相变,在某些合金中发现热弹性马氏体相变：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，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小热弹性马氏体。,图5马氏体相变的临界温度,早期提出产生形状记忆效应的条件是：（1）马氏体相变是热弹性的；（2）马氏体点阵的不变切变是孪生，即亚结构为孪晶；（3）母相和马氏体均为有序结构。,图7形状记忆效应机制示意图,变体界面移动，相互吞食,变形前后M结构未变,图8形状记忆合金晶体结构变化模型,在Tc与Ms之间的某一温度对合金施加外力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应力诱发马氏体相变(Stress-InduceedMartensiteTransformation)。,3.1.2应力诱发马氏体相变,本质：应力作用使材料的MS点升高。,图9应力诱发马氏体相变概念图,图11Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系,环境温度,275K,图10相变晶格变动模型,产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在Af温度以上由于应力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，这种非线性和相变密切相关，叫做相变伪弹性，即超弹性。,3.1.3超弹性（伪弹性）,图12形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线(Af温度以上加载）,图13Cu-14.5%Al-4.4%Ni（重量）合金单晶体在不同温度拉伸时的应力-应变曲线,Ti-Ni系形状记忆合金Cu系形状记忆合金Fe系形状记忆合金,1、Ti-Ni系形状记忆合金优点：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,Ti-Ni合金通过在1000左右固溶后，在400进行时效处理，再淬火得到马氏体。,(1)Ti-Ni系记忆合金中的基本相和相变,在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金属间化合物。,CsCl体心立方结构母相,母相与R相之间也是晶体学可逆的。R相变的最大特点是重复持性稳定，热循环反复动作50万次，其动作持性几乎没有任何变化。R相变的另一重要持征是温度滞后很小，只有1-2K。,TiNi合金中R相的特点,(2)合金元素对Ti-Ni合金相变的影响在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co等元素，这些元素对合金的Ms点有明显影响，也使As温度降低，即使伪弹性向低温发展。,2、Cu系形状记忆合金主要由Cu-Zn和Cu-A1两个二元系发展而来。通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金的相变温度，发展了一系列的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be,Ni)三元合金。,Cu-Zn-Al系形状记忆合金Cu-Al-Ni系形状记忆合金,性能特点优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆性能，相变点可在一定温度范围内调节，不同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。,缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。,图15热循环对相变温度的影响（a）Cu-Zn-Al合金；（b）Cu-Al-Ni合金,3、Fe系形状记忆合金铁基形状记忆合金没有发现具有伪弹性应用前景最好的是FeMnSiCrNi系和FeMnCoTi系，记忆性能较好的是FeNiCoTi系和FeMnSi系。目前研究主要集中在FeMnSi系合金上。,性能特点：价格较Ti-Ni系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。形状记忆特性比Ti-Ni合金差。,高技术中的应用：制造人造卫星天线,图16Ti-Ni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：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厘米以下的小团，放入阿波罗11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,从而能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。,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”。日本最大的移动电话生产厂商松下通信工业公司，最初采用铜质材料生产移动电话天线，现在已经全部改用镍钛形状记忆合金。自从全部机型都采用了形状记忆合金天线后，再也没有接到过由于天线出现折痕无法缩进机身的投诉。,工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等,图17形状记忆合金用作铆钉的工作原理图,紧固件待连接管,室温下形状记忆合金套管，内径比待连接管外径小约4%,液N2中扩管约8%,待连接管从两端插入,室温,套管收缩形成紧固密封件,这是利用形状记忆合金双程记忆效应制成的，随温度变化可自行伸缩的感温驱动元件。充分展示了工业用形状记忆合金元件典型结构形式。采用CuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，伸缩温度为6585，自由状态为45mm，伸长状态为200mm。,图18双程CuZnAl记忆合金弹簧,这是利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花，动作幅度为1800。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm，展开直径200mm。,图19双程CuZnAl记忆合金花,用TiNi1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。,这是利用形状记忆合金记忆恢复特性，借助温度差异，通过记忆合金的相变行为，在从动轮上产生力矩差，借助摩擦力驱使双轮转动，将热能转化为机械能的装置。采用TiNiCu记忆合金丝，以热水为热源，热水温度为6585，操作时，需将黄铜轮底部的记忆合金丝浸入热水中并赋予从动轮以惯性使之启动，则双轮即可连续转动。,图20涡轮型热机,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。,医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤夹、接骨板等（Ti-Ni合金）,图21支撑性与柔韧性完美协调的Ti-Ni记忆合金食道支架,图22记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除