形状记忆合金课件

1、形状记忆合金,Shape Memory Alloy,主要内容,形状记忆合金的原理,形状记忆合金的分类,形状记忆合金的制备,形状记忆合金的应用,形状记忆合金的发展,?,形状记忆效应,：具有一定形状的固体材料,(,通常是,具有,热弹性马氏体相变,的材料,),，在某一温度下,(,处于马氏体状态,M,f,),进行一定限度的塑性变形后，,通过加热到某一温度,(,通常是该材料马氏体完全消,失温度,A,f,),上时，,材料恢复到变形前的初始形状。,形状记忆效应原理,?,形状记忆合金在一定范,围内发生塑性变形后，,经加热到某一温度后能,够恢复变形，,实质是热,弹性马氏体相变,。,?,马氏体在外力下变形成,某一

2、特定形状，加热时,已发生形变的马氏体会,回到原来奥氏体状态，,这就是宏观形状记忆现,象，如右图所示。,图,6,形状记忆效应,过程的示意图,形状恢复完全可逆,需具备以下条件：,?,马氏体相变是,热弹性,的；,?,母相和马氏体呈现,有序的点阵结构,；,?,马氏体点阵的不变切变为孪生，,亚结构为孪晶或,层错,；,?,马氏体相变在晶体学上是,可逆的,。,?,随着形状记忆材料研究的不断深入，,发现不完全,具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应,。,?,温度场,可以诱导形状记忆效应，,磁场、应力场,等,也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。,图,7,传统热诱导形状记忆合金,Magnetic,field,

3、图,8,磁诱导形状记忆合金,合金成分,?,呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系就有,10,种,以上，如果把相互组合的合金或者添加适当元素的,合金都算在内，则有,100,种以上,。,?,得到实际应用的只有,Ti,基合金、,Cu,基合金以及,Fe,基,合金,。,?,其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致,价格昂贵，或者有些只能在单晶状态下使用，不适,于工业生产。,?,TiNi,合金,是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆,性能最好的合金材料。,?,TiNi,合金,强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好，具有,优异的生物相容性,?,在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的,?,形状记忆合金的,经济

4、性,是一个重要因素。,?,Cu,基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比,TiNi,合金差，,但价格仅为,TiNi,合金的,l/10,，,在性能要求不高、,反复使用次数少，特别是要降低成本的情况下,使用；,?,Fe,基合金,价格低，加工性能好，力学强度高，,在应用方,面具有明显的竞争优势，但其,形状记忆效应不是很好,。,合金类型,TiNi,合金,CuZnAl,合金,恢复应变,最大,8%,最大,4%,恢复应力,最大,400MPa,最大,200MPa,循环寿命,10,5,(=0.02),10,7,(=0.005),10,2,(=0.02),10,3,(=0.005),耐蚀性,良好,不良，有应力腐

5、蚀破,坏,加工性,不良,不太好,记忆处理,较易,相当难,表,2 TiNi,合金与,CuZnAl,合金性能对比,形状记忆效应,?,形状记忆合金的形状,记忆效应按形状恢复,情况可以分为三类：,?,单程形状记忆效应,?,双程形状记忆效应,?,全程记忆效应,冷却,图,10,形状记忆效应的三种形式,(a),单程,(b),双程,(c),全程,（,a,）马氏体状态下未变形,（,b,）马氏体状态下已变形,（,c,）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复,图,11,单程,TiNi,记忆合金弹簧的动作变化情况,没放入热水前,放入热水后,冷却至室温后,再次放入热水后,图,12,双程,CuZnAl,记忆合金花

6、的动作变化情况,图,13 TiNi,合金的全程记忆效应（,100,-,室温）,图,14 TiNi,合金的全程记忆效应（低温,-100,）,形状记忆处理,?,形状记忆合金的制备通常是先制备合金锭，之后,进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。,?,为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给,定形状。,?,形状记忆处理,(,一定的热处理,),是实现合金形状记,忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。,TiNi,合金单程形状记忆处理,?,单程记忆处理方法有三种,中温处理,低温处理,时效处理,?,中温处理,是将轧制或拉丝加工后充分加工硬化的合,金成形成给定形状，在,400-500,温度下保温几,分钟,到几小

7、时，使之记住形状的方法。,?,此方法由于,工艺简单而被广泛采用,。,?,低温处理,是在高于,800,的温度下保温后进行完全,退火，然后在室温下制成特定形状，,在,200-300,的低温下保温一定时间,，以记忆其形状的方法。,?,由于在完全退火的,软状态,下进行加工，有利于合金,记住,复杂形状或曲率很小的形状,。,?,时效处理,是一种在,800-1000,温度下固溶处理后进,行淬火，然后在,400-500,的温度下进行几小时时,效处理的方法。,?,只对,Ni,含量高于,50.5at,的富,Ni,合金有效。,TiNi,合金双程记忆处理,?,合金具有双程记忆效应是因为,合金中存在方向性的应,力场或晶

8、体缺陷,，相变时马氏体容易在这种缺陷处形,核，同时发生,择优生长,。,?,通过,记忆训练,(,强制变形,),获得双程记忆能力：,?,先获得单程记忆效应,，记忆高温相的形状；,?,随后在,低于,M,s,温度,，根据需要形状进行,一,定限度的可恢复变,形,；,?,加热到,A,s,以上温度，试样恢复到高温态形状后，,又降低到,M,s,以下，再变形试件，使之成为低温所需形状,；,?,如此,反复多次,后，就可获得双向记忆效应。,TiNi,合金全程记忆处理,?,全程记忆效应的出现是由于与基体共格的,Ti,11,Ni,14,析出相产生的某种固定的内应力所导致，,?,应力场控制了马氏体可逆相变的路径，使马氏体

9、的可,逆相变按固定路径进行。,?,全程记忆处理的关键是,限制性时效,，必须根据需,要选择合适的约束时效工艺。,?,改变合金成份的配方比例,，可以调节记忆合金的唤醒温度。例,如在制造,NiTi,记忆合金时，如使两种成分对半掺，唤醒温度为,80，如把,Ni,的配合比例减少千分之一，而将,Ti,增加千分之一,，则唤醒温度降为70，当,NiTi,之比为45.554.3时，唤醒温,度恰巧是0。,?,在,TiNi,合金中,掺杂,Au,或,Pt,可以显著提高合金的相变温度，使之,成为高温形状记忆合金，加入,Nb,可以使相变热滞增大到140,，而加入,Cu,后相变热滞则锐减至4 。,?,另一方面，随着材料先进

10、制备技术的飞速发展，,纳米化处理,也,越来越多地应用于形状记忆合金中。,形状记忆合金的其他处理,形状记忆合金使用中的问题,?,形状记忆合金,并不是无论承受怎样的变形只,要受热就能恢复原状,，有时可残留永久变形。,?,为保持良好形状记忆特性，形变量不能超过,一定值。,?,循环使用次数少时，,TiNi,合金约为,6,，,CuZnAl,合金约为,2,；,?,循环使用次数多时，分别低于,2,和,0.5,。,?,形状记忆合金要避免过热,，即在形状记忆合金受,约束状态下，不要达到比,A,f,点高很多的温度。,?,线圈过热，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈,服应力，,合金的形状记忆特性变坏。,?,合金

11、长时间置于高温，产生不能完全记住该温度下形状,的现象，即,记忆力减退,。,?,当,TiNi,合金和,CuZnAl,合金长时间分别置于,250,和,90,以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。,工业应用,图,15,NiTi,形状记忆合金折叠发射,自动张开的宇航天线原理图,宇航天线,连接件和紧固件,形状记忆管接头,F-14,?,密闭中空结构件中很难进行紧固操作，形状记,忆紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。,(a),开口,(b),拉直,(c),插入,(d),加热,形状记忆紧固铆钉,此外，形状记忆合金还可应用于智能机器人、能量转换热机、,保险器和继电器等。,医学应用,?,金属埋植入人体内时

12、必须考虑其生物相容性。,?,如果埋植体对人体组织是一种活性物质，那么它会,造成周围的组织和细胞发生变性，出现炎症充血循,环障碍，导致人体组织坏死；,?,如果埋植体是一种非活性物质，那么由纤维细胞分,泌的骨胶原纤维在它周围形成纤维组织，这种纤维,组织在埋植体上生成薄膜，使它在人体组织中能够,稳定存在。,TiNi,合金的生物相容性,?,经过试验观察,覆膜形状、覆膜组织、埋植周围的骨,骼和肌肉状态以及接骨板的耐腐蚀性发现：,TiNi,合,金的生物相容性很好，在医学领域具有巨大的应用,价值。,NiTi,合金接骨板,?,矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材进行矫正。,?,牙齿矫形用金属丝有,不锈钢丝和,CoC

13、r,合金丝,，这,些材料具有弹性模量高、弹性应变小，,微小变形可,获得很大的矫正力，,对患者造成疼痛和不适，同时,还容易产生塑性变形。,利用,NiTi,形状记忆合金的,超弹性,使得在加载和卸载,过程中,压力恒定,，即使应变高达,10,也不会产生塑,性变形。,牙齿矫形丝,?,应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性，,即使应变增大，矫正力却增加很少,，永久应变远,远小于不锈钢丝，,在大变形范围内可持续释放比,其他材料更加恒定的矫正力,。,NiTi,合金牙齿矫形丝,?,NiTi,矫形丝不仅操作简便，而且疗效也好，可减,轻患者的不适感。,?,1980,年，中国就开始研制,NiTi,合金矫形丝，北京

14、,有色金属研究总院与北京口腔医院合作，研制出,NiTi,合金牙弓丝，称为“中国,NiTi,牙弓丝”。,NiTi,牙齿矫形丝,?,此外，,NiTi,形状记忆合金还可用做牙根种植体、,形脊柱人造关节、,NiTi,合金聚髌器、接骨用骑,缝钉、锯齿臂环抱固定器、,人工心脏用人造肌肉、,血栓,过滤器、,冠状动脉内支架等等。,聚髌器,形状记忆加压骑缝钉,锯齿臂环抱固定器,日常生活,?,空调排气口上装有百叶板，风向,在制冷时向上、取暖时向下。,?,利用形状记忆元件传感和驱动特,性制造上下自动转换的百叶板。,安装在排气口的形状记忆线圈随,排气温度变化进行收缩或张开，,和另一侧偏动弹簧一起完成双程,动作，自动控

15、制百叶板运动。,?,经,10,万次以上的动作后证实，形,状记忆特性没有任何下降。,空调百叶板,空调百叶板,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。,混水阀,?,法国巴黎用形状记忆合金制造城市照明灯，有,两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。,?,白天，路灯熄灭，叶片合上；,?,傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，,让灯泡显露出来进行照明。,形状记忆路灯,形状记忆路灯,?,形状记忆合金在自动收进烟头的烟灰缸、为调整,头发受力通过加热温度改变卷发管径的卷发轴环、,眼镜、儿童玩具等上也有不少应用。,形状记忆眼镜,智能烟灰缸,智能卷发器,未来形状记忆合金的材料研,究将向高温、低温、宽滞后、,窄滞后