形状记忆原理及应用ppt课件

1、外形记忆合金的记忆效应机理及运用李 周 2021.9.6 外形记忆合金shape memory alloy作为一种新型功能资料曾经被广泛运用。该合金可以以为是始于1963年美国海军武器实验室Naval Ordianace LaboratoryW.J.Buehler博士的研讨小组对TiNi合金的研讨。他们发现TiNi合金构件由于温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这阐明该合金的声阻尼性能和温度相关。进一步研讨发现，等原子比TiNi合金具有良好的外形记忆效应。后来TiNi合金作为商品进入市场，给等原子比的TiNi合金商品取名为NiTinol，后面的三个字母就是该研讨室的3个英文单词的第一个字母。目

2、前外形记忆合金已广泛运用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等各个领域。 外形记忆资料主要包括外形记忆合金、外形记忆陶瓷和外形记忆聚合物，其记忆机制各不一样。本章将对与热弹性马氏体相变有关的外形记忆效应做根底性引见。 普通金属资料遭到外力作用后，首先发生弹性变形，到达屈服点，金属就发生塑性变形，应力消除后就留下永久变形。但是有些金属资料，在发生了较大变形后远超越弹性变形极限，经加热到某一温度之上，可以回复到变形前的外形，这种景象叫做外形记忆效应Shape Memory Effect1。如图7.1所示。具有外形记忆效应的金属通常是两种以上金属元素组成的合金，这种金属合

3、金叫做外形记忆合金Shape Memory Alloy。外形记忆效果普通以外形回复率来表示。设试样在母相态时原始外形长度为l0，马氏体态时经形变为l1，经高温逆相变后为l2，那么(%)=(l1-l2)/(l1-l0)100% 外形记忆合金中的记忆效应是在马氏体相变中发现的。通常把马氏体相变中的高温相叫做母相P，低温相叫做马氏体相M，从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变，或马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变。 外形记忆效应的分类 外形记忆效应有三种方式。第一种称为单向外形记忆效应，即将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生变形，改动其外形，再重新加热到马氏体转变

4、为母相的开场温度As以上，马氏体发生逆转变，温度升至马氏体向母相转变终了温度Af，马氏体完全消逝，资料完全恢复母相外形。普通没有特殊阐明，外形记忆效应都是指这种单向外形记忆效应。 有些外形记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从母相再次冷却为马氏体时，自觉回复原马氏体的外形，这种景象称为双向外形记忆效应，又称可逆外形记忆效应。第三种情况是在Ti-Ni合金系中发现的，在冷热循环过程中，外形回复到与母相完全相反的外形，称为全方位外形记忆效应。 冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开场温度Ms时开场构成。假设备加应力，马氏体可以在Ms以上温度构成，这种马氏体称为应力诱发马

5、氏体Stress-Induced Martensite，简称SIM。它的相变驱动力不是热能而是机械能。 外形记忆合金记忆效应机理 大部分合金记忆资料是经过马氏体相变而呈现外形记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相奥氏体的转变称为逆转变。外形记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进展可逆转变的结果。外形记忆机制表示图拉应力形状 设Ms、Mf分别表示冷却时奥氏体又称为母相向马氏转变的开场温度和终了温度，、表示加热时马氏体向奥氏体逆转变的开场温度和终了温度。具有马氏体逆转变，且与温度相差称为转变的热滞后很小的合金，将其冷却到点以下，马氏体晶核随着温度下降逐渐长大；温度上升时，马

6、氏体相又反过来同步地随温度上升而减少，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，外形记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进展可逆转变的结果。 母相与马氏体相变的晶体学可逆性与有序点阵具有亲密的关系，晶体学可逆性经过有序点阵的构成自动得到保证，在母相马氏体母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这就是单程记忆效应的缘由。上图中：a.将母相冷却到点以下进展马氏体相变，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但在晶体学上是等价的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体(Variant),马氏体变体普通有24种，由于相邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观变形；b

7、.马氏体受外力作用时加载，变体界面挪动，相互吞食，构成马氏体单晶，出现宏观变形； c.由于变形前后马氏体构造没有发生变化，当去除外应力时卸载无外形改动；d.当加热高于Af点的温度时，马氏体经过逆转变将恢复到母相外形。注不测形记忆合金在逆转变过程中，单一位向的马氏体不会生成多个位向不同的母相变体。上面已多次提到，相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征，在热弹性马氏体相变中构成的24种不同位向的马氏体变体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正由于这个缘由，在热弹性马氏体逆相变时可以完全地回复到和相变前一样的母相形状。 132高耐热高耐热SMACu-24Al-3Mn合金淬火态马氏体透

8、射电镜衍衬像和电子衍射花样合金淬火态马氏体透射电镜衍衬像和电子衍射花样 (a)淬火态衍衬像；淬火态衍衬像； (b) 010晶带轴衍射斑；晶带轴衍射斑； (c) 461晶带轴衍射晶带轴衍射斑；斑； (d)231晶带轴衍射斑；晶带轴衍射斑；(e)10151晶带轴衍射斑；晶带轴衍射斑；(f) 232晶带轴衍晶带轴衍射斑射斑_ _ _不同变形量不同变形量Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr合金原位察看金金相照片合金原位察看金金相照片a)淬火态淬火态,(b)4%,(c)5.5%,(d)6.5%，(e)7.5%研讨阐明，合金呈现外形记忆效应必需具备如下条件：1马氏体相变是热弹性的或半热弹

9、性；2母相与马氏体相呈现有序点阵构造原子有序陈列形状为一种原子周围出现异类原子的时机大；3马氏体内部亚构造是孪晶或层错；4相变时在晶体学上具有完全可逆性。本实验研制的相变宽滞后记 忆 管 接 头(已在美菱冰箱试用2年) 滞后宽度90K 大量运用外形记忆合金资料的是各种管件的接头。力大，故衔接得很结实，可防止渗漏，装配时间短，操作方便。美国自1970年以来，已在F11喷气战斗机的油压系统配管上采用了这种管接头，其数量超越10万个，迄今未发现一例走漏事故。这类外形记忆合金管接头还可用于核潜艇的配管、海底管道，电缆系统的衔接等 高技术中的运用 外形记忆合金运用最典型的例子是制造人造卫星天线。由Ti-

10、Ni合金板制成的天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其他热源加热就能在太空中展开。美国宇航局NASA曾利用Ti-Ni合金加工制成半球状的月面天线，并加以外形热处置，然后压成一团，用阿波运载火箭送上月球外表，小团天线受太阳照射加热引起外形记忆而恢复原状，即构成正常运转的半球状天线，可用于通讯。 卫星天线30- Environmental heatingeastotalqqqqcos1350ssaq cos)(1350FaAFqsaFaTqeee44TqT = 157C (Sunlight, qs, qa, qe)T = -1C (Shadow, qe): angle between

11、 the solar-flux vector and surface normal to the antenna, as: surface absorption for solar radiation, ae:surface absorption for Earth radiation AF: the solar albedo factorThe designed Satellite operating altitude 600-700km, Low Earth 31 Plan View of the petal locks 由于外形记忆合金马氏体相变的自协调和马氏体中构成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)的滞弹性迁移，外形记忆合金会吸收能量而具有很好的阻尼特性。低频交变应力下，马氏体相变内耗属于静滞型能量损耗机制，内耗与频率、振幅、温度及升降温速度没有本质的依赖关系；高频时，内耗峰的温度随频率增大而升高，内耗峰是由界面粘滞运动引起的。 阻尼特性 医学上的运用 作为医用生物资料运用的外形记忆合金主要是Ti-Ni合金。Ti-Ni合金强度高，耐腐蚀，抗疲劳，无毒副作用，生物相容性好，可以埋入人体作生物硬组织的修复资料