功能材料论文形状记忆合金

1、Ti-Ni形状记忆合金的制备、性能及应用摘要：Ti-Ni形状记忆合金是现代一种性能优良的新型功能材料，本文主要介绍了其简介、制备方法、主要性能和主要的应用及发展前景。 形状记忆合金的发展背景：在研究Ti-Ni合金时发现：原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到一定值时，它有恢复到原来弯曲的形状。人们把这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect）简称SME,具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。 形状记忆现象的发现可以追溯到1932年，美国在研究Al-Cd合金时观察到马氏体随温度变化而消长；1938年美国哈佛大学和麻省理工学院发现Cu-Sn，Cu-Zn，合金在马氏

2、体相变中的形状记忆效应；同年前苏联对Cu-Al-Ni，Cu-Sn合金的形状记忆机理进行了研究；1951-1953年，美国分别在Au-Cd，In-Ti，合金中观察到形状记忆效应。知道60年代初，形状记忆效应制备看作是一种现象，Ti-Ni合金形状记忆效应发现后，美国研制了最初实用的形状记忆合金“Nitinol”。 形状记忆合金SMA(Shape Memory Alloy)是指具有一定的初始形状，经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或者化学刺激处理又可以恢复其初始形状的一种新型金属功能材料。由于这种合金具有独特的形状记忆效应和超弹性效应，可以制作小巧玲珑、高自动化、性能可靠的元器件，

3、目前已被广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗器械空间技术、能源开发等领域。 形状记忆效应：形状记忆效应有三种形式。第一种称为单向状，再重新加热到As以上，马氏体发生逆转变，温度升高至Af点，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。一般形状记忆效应，即将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后是马氏体发生塑性变形，改变其形没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应。有些形状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，还回复马氏体形状，这种现象称为双向形状记忆效应。第三种情况是在Ti-Ni合金系发现的，在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的形状，称

4、为全方位形状记忆效应。目前已发现的形状记忆合金种类很多，可分为镍钛系、铜系、铁系合金三大类。另外，近年发现一些聚合物和陶瓷材料也具有形状记忆功能，其形状记忆原理与合金不同，还有待于进一步研究。目前已实用的形状记忆材料只有TiNi合金和铜系形状记忆合金。Ti-Ni合金的制备 1铸造 Ti-Ni合金是高温延展性良好的材料。当温度超过400后拉伸强度下降，与此相反，延伸率迅速增加。可见如果温度范围定得合理Ti-Ni合金无论锤锻、压力机上锻造或径向锻造都是比较容易进行的。实践表明锻造温度不宜高于900否则合金表面将剧烈氧化而产生Ti-NiTi4Nb2低熔点混合物相。过是间隙氧污染物质，具有脆化合金的作

5、用。另一方面温度分布不宜低于750，否则材料的变形抗力增大缺口敏感性突出，常易造成撕裂性质的破坏使废品率增加。因此，锻造温度范围为750900。铸锭锻造前需经850、l2h均匀退火然后机加工去表面氧化皮和冒口，再锻成棒料。2热挤压 从Ti-Ni的高温拉伸性能来看Ti-Ni合金适宜挤压。但不能进行冷挤压。Rozner在0.7Tm(Tm为金属的熔点)温度成功的进行了Ti-Ni的热挤压。铸锭经机加工后用碳钢包套然后在900挤压挤压比为4：116：1挤压后坯料在600退火1h然后炉冷3轧制和拉拔 棒料轧制一般可在普通多机座连续轧机上进行一孔型设计按常规由平椭圆、椭圆和圆组成。起轧温度820士20。根据

6、成品的尺寸要求应旨理地将整个轧制过程分解为一定数量的道次。轧制道次如下：43mm一25ram 7道次25mm一15ram 5道次25mm一85ram 9道次。轧制板材的设备最好带有预应力装置。板材轧制温度应略高于棒材，但不高于900，否则氧化皮增加影响材质。坯料厚度从30mm轧至2832mm采用9道次。轧制带材的方法不同于棒材和板材最好温轧。轧制时前后应有一定的张力。用通电的方法使材料保持温度(500600)以免出现加工硬化每一遭次压下量应控制在0.203mm左右。Ti-Ni合金在70以上存在异常大的速度加工硬化。冷加工必须正确掌握变形率和中间退火。冷轧的道次变形率应小于2，冷拔为10%，每道

7、的中间退火温度宜采用650700。经研究表明：清除Ti-Ni合金加工硬化以650士20为佳。Ti-Ni合金丝的冷拔工艺为：中间退火温度为750，退火时间15min，润滑剂用肥皂拔丝速度小于6m/min第一道次冷拔量1520%其后的道次冷拔量为10%左右。2次退火间总冷拔量为4045。4冷加工 Ti-Ni合金的布氏硬度虽然只有90上下，但切削性能很差特别是钻孔时，如用高速钢刀具剧寿命更短，所以一般使用硬质合金(如碳化钨)刀具。切削速度应适中过快或过慢都不好。磨削加工以采用碳化硅系列的砂轮为佳，5粉末成形 Ti-Ni记忆合金的机加工性能较差，近年来人们开始研究采用免除或减步加工工序的粉末情金方法和

8、精铸方法来制造记忆合金零件。目前大致有2种粉末成形的方法：(1)用预制的Ni一Ti合金粉末经过2次热等静压扩散烧结主要用于制备拉丝的优质毛坯。(2) 直接用Ni和Ti粉作原料经过一次烧结和热等静压处理。试样制备工艺是：将350目Ti粉和还原的羰基Ni粉50(原子数分数)的比例混合，置于石墨模中在热压机上烧结。再经过包套轧制和高压等静压处理后进行均匀化处理。试样密度是理想材料的9597但回复率只有熔炼材料的70%左右。目前，Ti-Ni合金的粉末成形还存在一些问题。由于粉末中有杂质和氧含量加上制备过程中由于石墨模引起的碳和其它元素侵入等问题，都使粉末成形值得更深入研究。 Ti-Ni记忆合金的性质及

9、特点近等原子比的Ti-Ni基记忆合金是最早得到应用的一种记忆合金。由于其具有优异的形状忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。 Ti-Ni基记忆合金的相变温度对成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就会引起相变温度降低10，添加的第三元素对Ti-Ni 合金相变温度的影响也很大。具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性；研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料，是目前应用最为广泛的形状记忆材料。Ti-Ni基记忆合金的特点：1机械性质十分优良，能恢复的形

10、变可高达10（一般金属材料0.1）；2加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa；3无通常金属呈现的“疲劳断裂”现象；可感受温度、外力变化并通过调整内部结构来适应外界条件 对环境刺激的自适应性。 与典型的耐磨材料相比, Ti-Ni合金的硬度较低,但其耐磨性非常优良,甚至超过普通耐磨材料 。研究发现, Ti-Ni合金优异的摩擦性能主要来源于合金的相变超弹性,另外其良好的应变硬化效应、热硬性、耐腐蚀等特性也有助于合金的耐磨性。 对不同 Ni含量的 Ti-Ni SMA的抗磨损性能进行了研究。结果表明: Ti-Ni SMA的抗磨损性能主要取决于合金的硬度和相组成。对于相组成为B+ M的 Ti-Ni合

11、金来说, 其硬度的大小取决于 B相含量, B相含量越高,合金的硬度越高,而对于含马氏体相的合金来说其硬度变化又受到 Ni含量的强烈影响。在干摩擦条件下, 含单一 B相合金的抗磨损量是单相马氏体合金的5倍左右。研究表明: 经此工艺及退火处理后的 Ti-Ni合金由于发生了严重的塑性变形,导致晶粒细化,从而提高了合金抗塑性变形的能力,改善了合金的耐磨性。Ti-Ni记忆合金的应用Ti-Ni基记忆合金的应用已遍及航空、航天、机械、电子、能源、医学以及日常生活中。下面主要讲述其在工程应用、医学应用及智能应用。工程应用 形状记忆材料在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。

12、另外，也可用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。 60年代初Ti-Ni合金首次被用于海军飞机液压系统的接头，并取得了成功。 形状记忆合金做紧固件、连接件较其他材料有许多优势。（1）夹紧力大，接触密封卡了、可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；（2）适于不焊接的接头;(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。 把形状记忆合金制成的弹簧与普通安装在一起可以制成自控元件。1973年美国试制成第一台Ti-Ni热机，利用形状记忆合金在高温，低温时发生的相变，产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能和热能的相互转换。医学应用医学上使用形状记忆合金

13、主要是Ti-Ni合金，这种材料对生物体有较好的相容性，可以埋入人体作为移植材料。在生物体内部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板，由于体内温度是Ti-Ni合金发生相变，形状改变，不但没能将两段骨固定住，而且能在相变过程中产生压力，迫使断骨很快愈合。另外，假肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板，都是利用形状记忆合金治疗的实例。在内科方面，可将细的Ti-Ni丝插入血管，由于体温使其恢复到母相的网状，阻止95%的凝血块不流向心脏。用记忆合金制造的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动，制造人工心脏。智能应用形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体的新形材料，因而可以广泛应用于各种自调

14、节和控制装置，如各种智能、仿生机械。形状记忆薄膜和细丝可能成为未来机械手和机器人的理想材料，它们除温度外不受任何其他环境条件的影响，可望在核反应堆、加速器、太空实验室等高科技领域大显身手。Ti-Ni合金前景近年来在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co、Zr、Pb等元素，开发了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr等新型Ti-Ni合金。上述合金元素对Ti-Ni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。Ti-Ni系合金是最具有前景的形状记忆材料，性能优良，可靠性好，并且与人体有生物相容性；为适应在微机械及各种复杂环境中的使用要求，Ti-Ni形状记忆合金级后的发展方向是尺寸的超小化、超细化、超薄化；相变的高温化；热滞的宽化与窄化；功能的复合