形状记忆合金论文

PAGEPAGE5形状记忆合金形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,SMA）是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外，这种合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性”，英文形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,SMA）是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外，这种合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性”，英文pseudoelasticity）行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。一、形状记忆合金的发展史ChangRead1952Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962TiNi70CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。二、形状记忆效应机理 a)单程SMEb)双程SME btpsfa为SMEcdcjc为伪弹性图1 形状记忆效应示意图 图2 形状记忆合金应力—应变温度关系示意图图1直观地示意出合金的形状记忆效应。在T1温度下,将原来SMA直棒弯曲变形后,加热至T2,弯曲棒便逐渐自动变直回冷至T1,棒仍保持直的形状。合金的这种在某种条件下经任意方式的塑性变形,然后加热至该种合金固有的某一温度以上,又完全恢复其原来形状的现象,称为形状记忆效应(SME)。图1a中所示为单程SME;如果由T2冷至T1时,SMA棒复又自动弯曲,从而随T2≒T1热循环,棒的形状亦发生直≒弯循环现，象,这种现象称为双程SME,如图2b所示。可见,合金的SME是在应力(σ)———应变(ε)———温度(T)三维2SME的微观机制与母相P及马氏体M之间发生的P≒M正逆相变密切相关,所以,图2中的相变温度及应变量等均为重要的SMA设计参数。其中Ms、Mf为P→M正相变开始与终了温度;As、Af为M→P逆相变开始与终了温度。Md温度为在外力作用下,能够诱发P→M相变的最高温度,高于此温度变形,SMA的变形行为与普通合金相同,因而,SME的变形温度Td≤Md。对于Ni—Ti、Cu基等多数SMA,当满足Af<Td<Md时,其应力———应变行为如图2中cdijc所示,即在σ作用下,尽管合金呈现宏观屈服现象,并发生较大的范性变形(cdi段),但是,一旦卸载后,如同普通合金的弹性变形一样,其范性变形减小至0,即合金形状随加载变化,随卸载恢复。因为σ—ε呈非线性,SMA的这种机械行为称为伪弹性。SMA的伪弹性与SME取决于变形温度Td。如果Af<Td<Md,呈现伪弹性;As<Td<Af为伪弹性与SME共有区;Td<As呈现SME。然而,近年来研制的一些SMA不论任何温度变形,都不呈现伪弹性。应予指出,与钢在马氏体状态相反,SMA在马氏体状态很软,故变形非常容易。三、形状记忆效应的分类最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang和Read,他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958年,在铜(CuZn)中也发现了类似的现象。直到1962年,当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti合金中发现了SME后,对SMA冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME的合金可归纳为以下几类:Ni2Ti系,包括等原子Ni-Ti,Ti-Ni-X(X=Fe,Al,Co);铜系,包括Cu-Zn系,如Cu-Zn,Cu-Zn-X(X=Si,Al,Sn);Cu-Al系,如Cu-Al2,Cu2Al2Ni;其他有色金属系,如Co-Ni,Ti-Nb,Au-Cu-Zn,Au-Cd,Ag-Cd,In-Ti等;铁基合金,如Fe-Pt,Fe-Ni-Co,Fe-Mn-Si,Fe-Ni-Co-Ti,Fe-Mn-C及不锈钢等。虽然目前已经发现的形状记忆合金有30Ni系和,Ni2Ti作用)、以及超弹性和制备加工性等都比Cu基合金优越,但成本较高。Cu基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。四、形状记忆效应的应用四、形状记忆效应的应用迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:自由回复。SMA在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。强制回复SMA管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4SMA制作的脑015mm的Ti2Ni板制作的Ag2TiNi伦顿棒等。动力装置。有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。1997年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm,直径0115mm(01006″)的Ni-TiSMA驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。精密控制。因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手(115m长),其手爪能移动200kg的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型(图3)。现有的大肠镜的直径为10～20mm杆给出前