Ni-Ti基形状记忆合金的研究与应用

1、名气气，吧“一综述基形状记忆合金的研究与应用秦桂红，严彪，殷俊林（同济大学材料科学与工程学院、上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海）摘要：合金是一种性能优良的形状记忆材料。本文主要介绍了它的基本特性、相图和马氏体晶体结构，并简单介绍了和两种具有代表性的基合金，以及基合金在工程和医学中的应用。关键词：基形状记忆合金；相图；马氏体晶体结构；应用中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，舀，；，）：，：；前言点可分别达和¨。现在形状记忆合金是年代发展起来的一已经开发出来的基形状记忆合金有普通型的种新型功能材料，它也是所有记亿合金中记忆性能，；多滞后型最好、最稳定、发展最早、研究最全

2、面的合金，即使是的；高温型的，多晶合金也具有的超弹性，而回复应力可达。本文主要介绍基合金的基本特性、相图，。此外其杰出的耐腐蚀性能使得合并说明第三组元加入对和三元金是唯一能在人体内应用的记忆合金。形状合金马氏体相变的影响。最后简单介绍了合记忆合金的双向记忆效应也很好，不但能回复母相金在工程和医学中的应用。的形状，而且能够记忆马氏体的形状。现在形状记忆合金的基本特性形状记忆合金的发展主要体现在以下几个方面：合金的形状记忆效应与马氏体的可逆相变有密（）相变该相变的温度滞后小，不超过，因切的关系。钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的产此可用于某些精确热敏元件。该转变的单向和双向物，由于碳在一中的扩散速度

3、大，加热时马氏体首记忆效应都很好，其可逆应变大概在。（）全先发生分解，因而马氏体的相变一般是不可逆的，即方位形状记忆效应口。（）宽滞后合金的马氏体加热时不会再逆向变成奥氏体。但是钢铁以研究即通过加入的来宽化滞后。（）高外的多数合金马氏体相变是可逆的，即冷却时由母相温记忆合金的研究主要是通过加入的转变为马氏体，而加热时马氏体又逆向转变为母相，和来提高马氏体逆转变开始温度点，其形状记忆合金的本质是合金中热弹性马氏体相变。收稿日期：作者简介：秦桂红（一），女，河南人，硕士研究生，师从严彪教授，从事稀土形状记忆合金材料研究和制备。一般金属的变形是通过滑移产生永久变形，而形状记忆合金的变形则是由马氏体转

4、变或马氏体内组织再取向来实现的，当形状记忆合金从高温母相冷却至低于马氏体相变的转变开始温度点产生马氏度（。点）向马氏体转变，随着相变的发生，试样开始伸长，当达到马氏体相变完成温度（，点）的同时，试样也停止伸长，这种因相变导致试样发生的形变称为相变形变。反之加热试样，从马氏体相向母相转变的开始温度（。点），到全部转变为母相的终止温度（，点），伴随这一逆向马氏体相变发生的同时，试样回复到原状。体相变，这种马氏体比母相软，成为热弹性马氏体。图显示了相变特性及相变循环中的关键点，在一定的载荷下冷却试样，使试样从马氏体相变开始温温度，图相变温度曲线应变图应舡应变曲线随着相变的进行合金的机械特性有较大的变

5、化，图给出了合金在拉力作用下的应材料温度比其相变温度稍高时，应力可以诱发马氏体相变，在恒定的应力作用下，应变不断增大，如曲线。解除负荷，减少应力，马氏体转化为奥氏体，形状记忆发生了，如曲线。这种形状记忆不是通过加热而是通过应力的减小，使材料具有完全弹性，这种弹性称为伪弹性或超弹性。，舡应变曲线。马氏体在较低的应力下就能产生塑性变形，而高温奥氏体母体具有很高的屈服应力。马氏体曲线表明，去除应力的马氏体经加热转化为奥氏体，回复到它所“记忆”的形状。而奥氏体经形变后加热却没有类似的现象。从图（）中看到，当记忆合金的相图图合金相图相图是理解一切相变（包括马氏体相变）的基础，也是控制合金组织和性能的重要

6、依据。图所示的合金相图是最近等人在前人的基础上稍做修改报道的。人们感兴趣的地方是相图中近等原子比的地方，即处在：相和。相之间的区域，在这个地方单一的相（有序相）可以转变为单斜的马氏体相。合金相图的这个区域多年来一直是有争议的，主要问题在于在。时是否存在共晶反应，即，以及富代时，窄滞后（一）的相变要比上述马氏体相变的合金经合适的热处理析出的，。相和先发生¨。二元合金经过合适的热处理发：。相是什么样的相。后来经研究证实该共晶反现同样的相变¨。这种相变之所以被称作相应是不存在的，等人¨对此做了详细论述，并变是因为在发生相变的时候点阵是从立方转变为菱证实。相和：，相在富的

7、合金时效形结构，立方点阵沿延伸可以得到菱形时是亚稳态的相，当富的合金时效时按照点阵（图）。这种转变在驱动器的应用上是很有下面的顺序析出：。一：一，直到最终出用的，因为正如前面提到的它有很小的温度滞后。现稳定的，相，因此建立了图所示的相图。后这种结构也是一直有争议的，但最近人们应用几种来等人又对该相图稍做修改，即把。处不同的实验手段相结合的办法（譬如电子衍射，射的虚线改到了处。【等人认为当合金线粉末法等）测得了相的结构，属于空间群，温度冷却至。发生，的转变。运用这个没有对称中心，其晶格参数和原子参数可参看文相图对合金进行合适的热处理可以改善合金的记忆献。这种结构跟合金¨刚中的：马氏体性

8、能。对母相进行淬火析出的，。相对提高合金十分类似。具体发展过程可参看文献，。的记忆性能是有用的，因为当对母相在较低温度（譬如。）归叫下时效时，。相是以薄片状析出的。纠和¨纠的晶体结构也是可以确定的。由图可以看出，合金时效时不可能硬化沉积出：相，因为相靠近富一侧的边界是垂直的，溶解度几乎不随温度的变化而变化。基合金马氏体的晶体结构合金的母相为有序结构。二元合金的马氏体晶体结构自从年发现以来一直是有争议的，其历史发展可参考文献【。然而，人图和相变有关的晶格转变（）型母相（）相切簪们最终应用单晶射线衍射法和最乘法测定（）（）了合金的马氏体晶体结构。合金的马氏体为畸变单斜结构，记为，属于，（

9、，等）三元合金空间群。其晶格参数和原子参数可参看文献¨，为了改变合金的相变温度，物理或力学其结构示意图如图所示。值得注意的是这种单斜性能，人们研制出了各种各样的三元合金。在这些马氏体和大多数相合金的马氏体结构十分不同，三元合金中，一（一）和合金是相合金的马氏体结构是周期性紧密堆积的堆垛有最重要的。序结构，尽管人们通常把合金划分为相合如图和图所示，的添加对合金产生很多金系，但目前作者认为这样是不合适的，因为在有趣的影响。首先改变的含量对合金的相变温合金里电子与原子之比（）远不是相合金度没有明显影响。其次，相变改变类型随含量的不同而不同：，：所要求的。一一。：。的转变温度滞后要比，的窄，

10、随着含量的增加相变滞后明显变窄，因此合金对温度场的响应比较迅速，可以用其制成具有较高响应频率的敏感元器件。虽然合金的相变具有最小的相变滞后，但其形状记忆应变较小（一）。而合金却具有较大的形状记忆应变，如图图合金的单斜马氏体所示，合金应用的温度范围要比相变的应用范围大。当合金中一的被或取明显升高。其原理机制可参看文献扎为。合金的应用系形状记忆合金因为具有稳定的形状记忆和超弹性功能，同时还具有优良的加工性、强度、耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性等性能，在工业自动化、航天航空、医疗卫生、仪器仪表及机械制造等工业领域得到广泛应用。留；糕赠在工程中的应用连接紧固件利用形状记忆合金优良的形状记忆效应，可制成各

11、种连接紧固件，如管接头，紧固圈、连接套管和紧固铆钉等。最初管接头所采用的合金为和合金，其相变滞后较窄，安装前必须保存在液氮中，实际应用很不方便。最近新开发出的宽滞后形状记忆合金可以克服上述含量缺点，工程应用十分方便，受到工程界的广泛重视，应用前景十分广阔。美国公司研制生产出了宽滞后形状记忆合金同轴电缆屏蔽网和接头的紧固圈旧川。美国利用合金制造海军一战斗机上液压系统的管接头，管接头在液氮中进行扩径，在室温下贮存而不发生形状回复。安装时，只需将管接头套在被连接管上，稍加热管接头实现形状回复达到紧密配合目的。美国一战斗机上完成万例连接，无失效报道。在我国，飞机上应用合金的有伊尔、伊尔型机，使用三元形

12、状记忆合金开尾铆钉连接中央翼和货舱门加强框。驱动器图的含量对（）舍金相变温度的影响一（一）由于合金的相变具有一些优良特性，使它可以用作自适应复合材料驱动丝，将预应变合金丝嵌入主动复合材料中，可以大大改善主动复合材料的功能。比如使材料中的应力改变振动频率。相变对自适应复合材料（简称一复合材料）温厦温度的开关控制特别有效，有利于界面强度的持久性，简化了一复合材料的固化工艺。同时，与相变有关的特性呈现良好的循环稳定性，循环次数大于×时，应变和相变温度没有明显的变化口引。图（）合金在同一栽荷（）下的一曲线】（）（）（）一（一】如上所述，记忆合金用于制作敏感元器件时，就需要有较窄的相变滞后。然

13、而，当制作紧固件时就需要较宽的相变滞后，这是因为在马氏体状态下变形的紧固件能够容易地在室温状态下贮存。正是由于这一点，宽滞后的合金具有广泛的应用，尤其因为该合金在马氏体状态下变形后其点制动器利用合金做制动器主要是应用在汽车上四挪，主要用于控制引擎、传送、悬吊等，以提高安全眭、可靠性以及舒适性。如美国公司和德国宝士公司把合金制成弹簧引入汽车排挡系热处理年第卷第期统中，藉记忆行为来调整油压，还可增加减缓器的效能。在医学上的应用，：，国内外大量的耐腐蚀性、生物相容性、细胞毒性、致癌性、溶血性、致敏性等生物化学试验表明，：，：合金与不锈钢、钴铬合金相比，具有更为优良的生物相容性和低生物蜕变性。合金在医

14、学领域的应用比较广泛，主要是在内科和整形外科的应用。，：，：，（）：，在内科的应用有腔道内支架和血管支架、颅骨成形板和固定钉、医用超弹性导丝、下腔经脉滤器、心腔内异常通道栓堵器。在整形外科中的应用主要有牙齿矫正丝、超弹性脊椎柱侧弯矫形棒、环抱臂环抱式接骨板、髌骨爪、内锁型加压髓内针、纵向加压骨卡环环抱式接骨板、，：，：，：分体式接骨板、自加压骑缝钉¨。结束语，：，基形状记忆合金以其优良的性能赢得世人的青睐，在记忆合金领域占据着绝对的优势。它的发展尤其是近年来的发展十分迅速，已成为形状记忆合金研究领域的重要研究方向。我国已在其基础研究和应用开发方面做了很多工作，但与国外相比还远远不够。由于其形状记忆性和超弹性性能良好且稳定，在形状记忆合金的应用领域也占据着重要位置。为了适应在微机械及各种复杂环境中的使用要求，基形状记忆合金今后的发展方向是尺寸的超小化、超细