形状记忆合金材料教材课件

形状记忆合金形状记忆合金1一、形状记忆效应二、形状记忆效应的原理三、形状记忆合金的分类四、形状记忆合金的应用五、形状记忆合金的发展六、形状记忆合金的制备一、形状记忆效应2一、形状记忆效应

原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到一定值时，它又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（SMF），具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。形状记忆效应有三种形式:单程形状记忆效应，双程形状记忆效应，全程形状记忆效应。一、形状记忆效应原来弯曲的合金丝3冷却冷却冷却冷却变形变形变形加热加热加热全程形状记忆效应双程形状记忆效应单程形状记忆效应冷却冷却冷却冷却变形变形变形加热加热加热全程形状记忆效应双程4二、形状记忆效应的原理1.奥氏体奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。奥氏体的晶体结构为面心立方，其溶碳能力较大，强度低，可塑性强，膨胀灵敏，无磁性，有一定韧性。2.马氏体将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体的晶体结构为体心四方结构。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。低碳马氏体具有良好的强度和一定的韧性，高碳马氏体强度高、韧性大。二、形状记忆效应的原理1.奥氏体53.形状记忆合金的机理

马氏体和奥氏体的相互转变。3.形状记忆合金的机理马氏体和奥氏体的相互转变64.马氏体相变

以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏体相变。马氏体相变往往具有可逆性，即把马氏体一足够快的速度加热，可以不经分解直接转变为高温相（母相）。母相向马氏体相转变开始，终了温度称为Ms，Mf；马氏体向母相逆转变开始，终了温度成为As,Af。4.马氏体相变以晶格畸变为主的位移型无扩7马氏体相变的一些临界温度马氏体相变的一些临界温度8

具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，弯度回升是马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。

在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。

有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。

应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当出去应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为超弹性。具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，95.NiTi合金的形状记忆处理

只进行固溶处理的TiNi合金几乎没有赝弹性，其应力---应变曲线随加载-卸载的次数而发生显著的变化。经过形变加工，时效处理后，其赝弹性大大增加，而且应力--应变曲线不随加载-卸载次数而发生显著的变化。因此，要使成型加工后的NiTi合金具有形状记忆功能，必须对合金进行训练处理，也就是记忆热处理，单程、双程和全程形状记忆材料的形状记忆处理的方法不同。5.NiTi合金的形状记忆处理只进行固溶处理的10单程记忆处理中温处理:

经轧制、冷拔等高度冷加工的合金材料加工成所需形状，然后在400~500°C加热几分钟至几小时。低温处理:

800°C以上高温退火后，在室温下成形、加工成所需形状，再在200~300°C保温数分钟至数十分钟。时效处理:

利用高Ni含量合金析出硬化的优点，Ni含量高于50。5%的合金，可进行时效处理。在800~1000°C固溶处理，然后在400°C时效几小时，便可获得单程形状记忆功能。单程记忆处理中温处理:11双程记忆处理强制变形：

在马氏体状态下的合金进行近10%以上的强制变形。约束加热：

在马氏体状态下变形，并将其形状固定，然后将合金加热到高于Af温度50°C以上。训练：

将合金元件在马氏体状态下变形至可回复的程度，加热使其回复。反复形变、加热，即可得双程记忆。双程记忆处理强制变形：12全程记忆处理

含Ni量较高的合金在约束时效时，母相中形成的细小析出物,产生应力场，从而具有全程记忆效应。Ti-51Ni合金经800°C固溶处理，冷水中淬火后，在约束状态下400~500°C时效，便得到全程记忆效应。目前仅在Ni-Ti合金中发现此效应。全程记忆处理含Ni量较高的合金在约束时效时，13三、形状记忆合金的分类

已发现具有形状记忆效应的合金种类很多，可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。三、形状记忆合金的分类已发现具有形状记忆效应的14

1.NiTi系形状记忆合金

NiTi基形状记忆合金具有强度高,耐腐烛性强、耐磨性好,生物兼容性强的优异性能,在形状记忆合金的应用方面最广泛。目前,由于第三元素的加入,NiTi基形状记忆合金的性能特点及应用领域得到极大的丰富。如在NiTi合金中,加入W,会产生明显的固溶强化,提高NiTiW合金的强度和力学性能。但是W的加入不会改变整个NiTi合金的相变温度。1.NiTi系形状记忆合金NiTi15

2.Cu系形状记忆合金

Cu基记忆合金分为Cu-Al系和Cu-Zn系,比NiTi合金生产成本低(10%),而且加工性能好,应用日益广泛,但是相变温度稳定性差,韧性不好;但是价格低,相变温度区间宽,低滞后以及导热性好。2.Cu系形状记忆合金Cu基记忆合16形状记忆合金材料教材课件17

3.铁系形状记忆合金

与Ni-Ti基及Cu基合金相比，铁基合金价格低、加工性好、机械强度高、使用方便。目前已发现的铁基形状记忆合金的成分、结构和性能，其中应用前景最好的合金是FeMnSiCrNi和FeMnCoTi系。3.铁系形状记忆合金与Ni-Ti基及Cu18

铁基形状记忆合金的成分和性能铁基形状记忆合金的成分和性能19四、形状记忆合金的应用四、形状记忆合金的应用20形状记忆合金材料教材课件21形状记忆合金材料教材课件22记忆食道支架

记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。记忆食道支架记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时23形状记忆合金材料教材课件24形状记忆合金材料教材课件25五、形状记忆合金的发展

早在战国时代人们已经知道可以用淬火（即将钢加热到高温后淬入水中或油中急冷）的方法可以提高钢的硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。十九世纪末期，人们才知道钢在“加热和冷却”过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的变化。十九世纪末到二十世纪初主要局限于研究钢中的马氏体转变及转变所得产物——马氏体。二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析的方法测得钢中马氏体是碳溶于α-Fe而形成的过程和固溶体，马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳，因此曾一度认为“所谓马氏体即碳在α-Fe中的过饱和五、形状记忆合金的发展早在战国时代人们已经知道26固溶”。1932年，瑞典人奥兰德在金隔合金中首次观察到“记忆”效应。1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金的形状记忆效应。

二元NiTi形状记忆合金机械性能优良、耐腐蚀性好、形状记忆效应优良、弹性好,在不同的领域得到了广泛的应用,尤其是在医用材料方面有着不可替代的作用。

但它存在一些不足之处，如相变温度较低。这对其的应用是一个很大的限制。于是人们希望通过添加第三种元素来改善其性能,拓展记忆合金的应用领域,这便产生了三元NiTiX形状记忆合金。固溶”。27六、形状记忆合金的制备

1、实验材料

实验原材料为0级海绵钛、1号电解镍(纯度大于99.96%)、NiW中间合金,采用中频感应炉+石墨坩埚进行NiTiW铸锭溶炼。将海绵钛压成棒料,NiW合金棒材压成屑块状。六、形状记忆合金的制备1、实验材料282、熔炼2.1、熔炼机理

金属的焰炼方法中电弧炉溶炼应用较为便捷,但铸锭质量不高;电子束溶炼在高真空条件下会带来合金元素挥发问题;真空感应熔炼炉,利用该溶化炉溶炼时,溶体温度易于控制,合金成分均匀、准确,间隙元素含量低,适合于金属间化合物的熔配。为了得到成分均匀的铸锭,同时保证杂质含量低于生物医用材料的临界值,采用真空感应熔炼法。2、熔炼2.1、熔炼机理29

由于W的熔点高达3340°C,与NiTi不存在共晶相变,若采用超高温溶炼直接与镍钛结合,不仅耗费成本,且会直接导致钛和镍严重挥发,几乎不可执行。

当NiW形成Ni4W中间合金时,合金溶点最低,达到1525°C,基本满足感应溶炼能达到的最高温度限度。因此,利用粉末冶金方法混粉,压制,烧结制成Ni4W中间合金,与电解镍,海绵钛一起溶炼。

溶炼过程中有化学反应为:Ni4W+Ti—NiTi+W,根据热力学反应方程式:

G=H-TS

(2.1)式中,G为吉布斯自由能,H为反应焓,S为熵,T为反应温度。

当温度大于1000°C时,G<0,反应热力学上可自发进行。因此,选用中间合金Ni4W及单质Ni,Ti进行溶炼,高温溶炼过程中Ti与Ni4W中的Ni结合生成NiTi合金,置换出的W原位形核生长,以析出相形式均勾弥散分布于基体中。由于W的熔点高达3340°C,与NiTi不存在30真空感应熔炼炉真空感应熔炼炉31形状记忆合金材料教材课件32形状记忆合金材料教材课件33形状记忆合金形状记忆合金34一、形状记忆效应二、形状记忆效应的原理三、形状记忆合金的分类四、形状记忆合金的应用五、形状记忆合金的发展六、形状记忆合金的制备一、形状记忆效应35一、形状记忆效应

原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到一定值时，它又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（SMF），具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。形状记忆效应有三种形式:单程形状记忆效应，双程形状记忆效应，全程形状记忆效应。一、形状记忆效应原来弯曲的合金丝36冷却冷却冷却冷却变形变形变形加热加热加热全程形状记忆效应双程形状记忆效应单程形状记忆效应冷却冷却冷却冷却变形变形变形加热加热加热全程形状记忆效应双程37二、形状记忆效应的原理1.奥氏体奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。奥氏体的晶体结构为面心立方，其溶碳能力较大，强度低，可塑性强，膨胀灵敏，无磁性，有一定韧性。2.马氏体将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体的晶体结构为体心四方结构。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。低碳马氏体具有良好的强度和一定的韧性，高碳马氏体强度高、韧性大。二、形状记忆效应的原理1.奥氏体383.形状记忆合金的机理

马氏体和奥氏体的相互转变。3.形状记忆合金的机理马氏体和奥氏体的相互转变394.马氏体相变

以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏体相变。马氏体相变往往具有可逆性，即把马氏体一足够快的速度加热，可以不经分解直接转变为高温相（母相）。母相向马氏体相转变开始，终了温度称为Ms，Mf；马氏体向母相逆转变开始，终了温度成为As,Af。4.马氏体相变以晶格畸变为主的位移型无扩40马氏体相变的一些临界温度马氏体相变的一些临界温度41

具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，弯度回升是马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。

在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。

有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。

应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当出去应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为超弹性。具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，425.NiTi合金的形状记忆处理

只进行固溶处理的TiNi合金几乎没有赝弹性，其应力---应变曲线随加载-卸载的次数而发生显著的变化。经过形变加工，时效处理后，其赝弹性大大增加，而且应力--应变曲线不随加载-卸载次数而发生显著的变化。因此，要使成型加工后的NiTi合金具有形状记忆功能，必须对合金进行训练处理，也就是记忆热处理，单程、双程和全程形状记忆材料的形状记忆处理的方法不同。5.NiTi合金的形状记忆处理只进行固溶处理的43单程记忆处理中温处理:

经轧制、冷拔等高度冷加工的合金材料加工成所需形状，然后在400~500°C加热几分钟至几小时。低温处理:

800°C以上高温退火后，在室温下成形、加工成所需形状，再在200~300°C保温数分钟至数十分钟。时效处理:

利用高Ni含量合金析出硬化的优点，Ni含量高于50。5%的合金，可进行时效处理。在800~1000°C固溶处理，然后在400°C时效几小时，便可获得单程形状记忆功能。单程记忆处理中温处理:44双程记忆处理强制变形：

在马氏体状态下的合金进行近10%以上的强制变形。约束加热：

在马氏体状态下变形，并将其形状固定，然后将合金加热到高于Af温度50°C以上。训练：

将合金元件在马氏体状态下变形至可回复的程度，加热使其回复。反复形变、加热，即可得双程记忆。双程记忆处理强制变形：45全程记忆处理

含Ni量较高的合金在约束时效时，母相中形成的细小析出物,产生应力场，从而具有全程记忆效应。Ti-51Ni合金经800°C固溶处理，冷水中淬火后，在约束状态下400~500°C时效，便得到全程记忆效应。目前仅在Ni-Ti合金中发现此效应。全程记忆处理含Ni量较高的合金在约束时效时，46三、形状记忆合金的分类

已发现具有形状记忆效应的合金种类很多，可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。三、形状记忆合金的分类已发现具有形状记忆效应的47

1.NiTi系形状记忆合金

NiTi基形状记忆合金具有强度高,耐腐烛性强、耐磨性好,生物兼容性强的优异性能,在形状记忆合金的应用方面最广泛。目前,由于第三元素的加入,NiTi基形状记忆合金的性能特点及应用领域得到极大的丰富。如在NiTi合金中,加入W,会产生明显的固溶强化,提高NiTiW合金的强度和力学性能。但是W的加入不会改变整个NiTi合金的相变温度。1.NiTi系形状记忆合金NiTi48

2.Cu系形状记忆合金

Cu基记忆合金分为Cu-Al系和Cu-Zn系,比NiTi合金生产成本低(10%),而且加工性能好,应用日益广泛,但是相变温度稳定性差,韧性不好;但是价格低,相变温度区间宽,低滞后以及导热性好。2.Cu系形状记忆合金Cu基记忆合49形状记忆合金材料教材课件50

3.铁系形状记忆合金

与Ni-Ti基及Cu基合金相比，铁基合金价格低、加工性好、机械强度高、使用方便。目前已发现的铁基形状记忆合金的成分、结构和性能，其中应用前景最好的合金是FeMnSiCrNi和FeMnCoTi系。3.铁系形状记忆合金与Ni-Ti基及Cu51

铁基形状记忆合金的成分和性能铁基形状记忆合金的成分和性能52四、形状记忆合金的应用四、形状记忆合金的应用53形状记忆合金材料教材课件54形状记忆合金材料教材课件55记忆食道支架

记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。记忆食道支架记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时56形状记忆合金材料教材课件57形状记忆合金材料教材课件58五、形状记忆合金的发展

早在战国时代人们已经知道可以用淬火（即将钢加热到高温后淬入水中或油中急冷）的方法可以提高钢的硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。十九世纪末期，人们才知道钢在“加热和冷却”过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的变化。十九世纪末到二十世纪初主要局限于研究钢中的马氏体转变及转变所得产物——马氏体。二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析的方法测得钢中马氏体是碳溶于α-Fe而形成的过程和固溶体，马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳，因此曾一度认为“所谓马氏体即碳在α-Fe中的过饱和五、形状记忆合金的发展早在战国时代人们已经知道59固溶”。1932年，瑞典人奥兰德在金隔合金中首次观察到“记忆”效应。1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。1961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金的形状记忆效应。

二元NiTi形状记忆合金机械性能优良、耐腐蚀性好、形状记忆效应优良、弹性好,在不同的领域得到了广泛的应用,尤其是在医用材料方面有着不可替代的作用。

但它存在一些不足之处，如相变温度较低。这对其的应用是一个很大的限制。于是人们希望通过添加第三种元素来