马氏体可逆转变和形状记忆效应

马氏体可逆转变和形状记忆效应在马氏体相变热力学一节中已经讨论到马氏体相变具有可逆性，并将马氏体向高温上的转变称为逆转变或反相已发现具有可逆马氏转变的合金有：Fe-Ni，Fe-Mn，Cu-Al，Cu-Au，In-Tl，Au-Cd，Ni-Ti等。这些合金中的马氏体可逆转变，按其特点不同，可分为热弹性马氏体的可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变两类。热弹性马氏体的可逆转变是近代发展形状记忆材料的基础。而非热弹性马氏体可逆转变则导致材料的相变冷作硬化，成为材料强化的途径之一。（一）马氏体可逆转变的特点Fe-Ni合金（以此作为非热弹性马氏体可逆转变的代表）中，ASMS420℃，Au-Cd合金（以此作为热弹性马氏体可逆转变的代表）ASMS163-100的驱动力差别很大，前者很大，后者很小。因此，它们的相变行为也有很大的差别。1、共同特点热弹性马氏体可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变的是转变温度的函数，符合降温形成马氏体动力学的一般规律。2、不同特点主要表现在MS以下两种合金马氏体的长大方式有着明显的差别。非热弹性马氏体Fe-Ni合金中，连续冷却时新马氏体片不断形成，每体长大后的大小来决定的，而和长大速度无关。因为学条件的马氏体核胚，长成新的马氏体。热弹性马氏体Au-Cd（热滞下发生的，相变所需的驱动力很小。如果相变驱动力不足以克服使一片马氏体充分成长时所需的弹性形变能及其他的能量消耗时，马氏体片在未长到其极限尺寸之前就会停止长大，但共格界面并未破坏。这就是说，马氏体形成以后，由于新和母相的比容不同，而在新和母相之间产生了弹性变形。显然，这种弹性变形是随马氏体片的长大而增大的，因此，在一定温度下，当消耗于新相马氏体周围的母相弹性变形所需的应变能及共格界面能等，增加到和相变驱动力相等时，新相和母相即达到了一种热弹性平衡状态，这时相变会则因相变驱动力增加，马氏体片又继续长大。与此同时，出现新马氏体核胚长大也是可能的。当温度升高使相变驱动力减小时，马氏体片又会缩小。因此，称这种马氏体为热弹性1-102Cu-Al合金中热弹性马氏体的可逆转变马氏体片又逐渐缩小。热弹性马氏体相界推移很快，并能够和降温同步，所以它仍然保持着降温形成马氏体的特点。但是，热弹性马氏体相界推移速率受冷却速率的控制，这是和Fe-Ni合金中的转变不同的。3、逆转变的特点在加热时的逆转变中，这两种合金的转变也存在着明显Au-CdFe-Ni合金的可逆转变试验中，已证3-103中可见，在原来的一个马氏体晶粒中形成了许多位向不同的母相晶粒。如果进一步加热到高温，使之完全逆转变后，则原来的单晶变成了多晶体。（二）热弹性马氏体可逆转变和形状记忆效应1、热弹性马氏体可逆转变的特点如前所述，热弹性马氏体可逆转变时，热滞非常小，只20~30。这种马氏体形成后，随温度下降，原有马呈现出热弹性。因此，热弹性马氏体的重要特征之一，是在相变的全过程中母相和新相界面始终维持共格联系。热弹性马氏体转变的另一个重要特征是相变具有完全位向，也就是在晶体学上完全回复到母相原来的状态。由此得出，马氏体相变为热弹性型的重要条件是：在相变的全过程中，新相与母相必须始终维持共格，同时相变应而为了满足后一个条件，则要求晶体为有序点阵结构。试验证明，热弹性马氏体相变的体积变化要比非热弹性马氏体相变的体积小得多。并且呈现热弹性马氏体相变的合金一般均为有序点阵结构。具有热弹性马氏体相变的合金已发现的有Cu-Al-Ni，2、形状记忆效应形状记忆效应包括单程记忆效应及双程记忆效应。4-58aT1T2以后的冷却和再加热过程中棒的形状不再发生改变。4-58bT1T2T1环时，记忆效应将逐渐消失。形状记忆效应能够回复的变形量约为6~8%，最高可达百分之十几，变形量过大时不能完全回复。所谓形状记忆效应实质上是指将完全或部分马氏体相Af可逆地回复到变形前的状态。补偿。当一个奥氏体单晶转变为许多片不同取向的马氏体而发生改变。此即所谓自协作效应。原来的形状（图4-62。这就是在Au-Cd双程记忆效应的极端例子。如果母相通过冷却时的马氏体转变形成具有自协作效应的几种不同取向的马氏体，则转变的结果不会改变零件的形状。此时如马氏体内的亚结构为孪晶或层错而不是位错，相邻的不同取向的马氏体之间也呈孪晶关系，则在外力的作用下，可以通过孪晶界面的移动而使某一取向的马氏体长大，其它处于不利取向的马氏体不断缩小，逐渐形成一个择如伸长或弯曲。撤除外力，零件形状的改变将被保留下来，如将已发生形状改变的零件加热到AS以上，伪单晶马氏体4-63过程的示意图。4-64是整个过程的示意图。Wayman分析了种种形状记忆效应后提出，具有形状记3）母相有序化。第一个条件极易理解。第二个条件是为了在外力的作用下能够形成择优取向的伪单晶。第三条件是为了在逆转变时易于发生单取向转变而回复原来形状，因有序化母相对称性低，在形成时可能的取向少。前面已经提到，绝大部分热弹性马氏体的母相都是有序化的，故第三个条件与第一个条件是一致的。3、记忆材料及其应用目前已知的形状记忆合金有 Ni-Ti，Au-Cd，In-Tl，Ni-Al等。由于形状记忆合金只需改变温度就可改变形状，故在生产上得到了重要的应用。自动组装的结构件用Ni-Tiβ在母相状态下将其制成天线，然后冷至低温，使其转变为马SNi-Ti照射下，使其温度升到A以上，团状天线自动张开回复原始形状（图4-65。SNi-Ti结构件，冷至相变点以下压缩，然后抛入便。用Ni-Ti接头在液氮温度马氏体状态用外力使之膨胀约4%，然后套在要连接的管子外面，当温度回升到室温时，马氏体转变为母相发生收缩，形成坚固密封，采用这种方法代替焊接，可30万例，全部成功。也可应用于化工行业管道的连接，防止渗漏。热敏装置的安全装置温度调节器、火灾报警器、记忆铆钉等。热能-机械能转换装置很多记忆材料在马氏体相变的逆转变过程中能产生很大的应力和位移，因而可以做功。利用这一特性，可以把热4-66a是两端固定的用形状记忆合金制成的圆棒。先使之靠近f（图4-66a，在低温下加外力1，使圆棒产生弯曲变形（图4-66b，然后Af以上，F2。F2F110故受到人们的重视。医学方面的应用各类骨钉、夹板、校形器、腔管支架等。（三）相变冷作硬化马氏体形成的体积效应会引起周围奥氏体产生塑性变3-105Fe-Ni-C合金淬火到液氮温度后，其中残1011~1012/cm2此，这种现象便称为相变冷作硬化。MS点降低，马氏体转变量减少，即造成了奥氏体的稳定化。所以，非热弹性马氏体