形状记忆合金课件

形状记忆合金

ShapeMemoryAlloys1形状记忆合金

ShapeMemoryAlloys1形状记忆合金概述发展历史基本概念形状记忆效应及其临界温度热弹性马氏体相变马氏体变体与自协作应力诱发马氏体相变相变伪弹性(超弹性)2形状记忆合金概述发展历史2形状记忆合金发展历史30年代，美国哈佛大学A.B.Greninger等发现CuZn合金在加热与冷却的过程中，马氏体会随之收缩与长大1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变1951年，张禄经、Read发现Au-47.5%Cd具有形状记忆效应1963年，美国海军武器试验室（AmericalnavyOrdinanceLaboratory）的Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol（Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形状记忆合金。70年代，CuAlNi也被发现具有形状记忆功能1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆功能，并在工业中得到应用1975年至1980年左右，双程形状记忆效应（TwoWayShapeMemoryEffect）、全程形状记忆效应（AllRoundShapeMemoryEffect）、逆向形状记忆效应（InverseShapeMemoryEffect）相继被发现3形状记忆合金发展历史30年代，美国哈佛大学A.B.Gre形状记忆效应形状记忆效应:固体材料在发生了塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的形状，这种现象就叫做形状记忆效应。普通金属材料形状记忆合金4形状记忆效应形状记忆效应:固体材料在发生了塑性变形后，经过加形状记忆效应简易演示实验初始形状拉直加热后恢复5形状记忆效应简易演示实验初始形状拉形状记忆效应与马氏体相变形状记亿效应是在马氏体相变中发现的马氏体相变中的的高温相叫做母相(P)，低温相叫做马氏体相(M)马氏体正相变、马氏体逆相变。马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在产生热弹性马氏体相变的合金中。马氏体相变的临界温度：Ms、Mf、As、Af

6形状记忆效应与马氏体相变形状记亿效应是在马氏体相变中发现的6马氏体相变的临界温度7马氏体相变的临界温度7热弹性马氏体相变(ThermoelasticMartensiticTransformation)马氏体相变和逆相变的温度滞后（As-Ms）热弹性马氏体相变和非热弹性马氏体相变8热弹性马氏体相变(ThermoelasticMartens马氏体变体与自协作马氏体变体(MartensiticVariant)：晶体学等价、惯习面位向不同的马氏体自协作(SelfAccommodation)：马氏体变体生成时都伴随有形状变化，在合金的局部产生凹凸，但是，作为整体，在相变前后其形状并不发生改变，这是因为若干个马氏体变体组成菱形状片群，或组成三角锥状片群，它们互相抵消了生成时产生的形状变化，这样的马氏体生成方式被叫做自协作9马氏体变体与自协作马氏体变体(MartensiticVar马氏体变体10马氏体变体10应力诱发马氏体相变

StressInducedMartensiticTransformation

11应力诱发马氏体相变

StressInducedMart相变伪弹性

TransformationPseudoelasticity产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在Af温度以上由于应力诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失，其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性弹性和相变密切相关，所以叫做相变伪弹性，也叫超弹性12相变伪弹性

TransformationPseudoela相变伪弹性13相变伪弹性13马氏体相变

(MartensiticTransformation)马氏体相变概述命名，德国人AdolphMartens最初的认识：相变产物的特征深入研究：形核和生长的过程生长速度钢：105cm/sAuCd合金、CuZn合金：显微镜下肉眼观察马氏体相变转变过程中，没有原子的扩散，也不改变成分，仅仅是晶格结构发生变化。母相(P)和马氏体相(M)内的晶格点阵有看一一对应的关系除钢外，纯金属Li、Ti、Hg、Tl、Pu、Co，合金AuCd、CuAl、AgZn、CuZn、TiNi，化合物半导体BaTiO3、ZrO2，非金属材料V3Si，也存在马氏体相变14马氏体相变

(MartensiticTransformat马氏体相变

(MartensiticTransformation)马氏体相变的一般特征无扩散性：马氏体相变最本质的特征切变性相变共格性相变惯习面

晶体缺陷相变可逆性15马氏体相变

(MartensiticTransformat马氏体相变马氏体相变的热力学持征马氏体相变机制的几个晶体学经典模型Bain转变模型K-S转变模型西山转变模型G-T转变模型16马氏体相变马氏体相变的热力学持征16马氏体相变的热力学持征相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自于新旧两相的自出能差马氏体相变时需要较大的驱动力。这主要是由于相转变时的切变过程需要很高的塑性变形能，用以产生浮凸，产生高密度位错或孪晶等，同时，为了维持两相的共格，以及因体积的变化会引起晶格的弹性畸变，导致较大的能量提高。所以，马氏体相变的的驱动力主要是为了克服相变时的切变阻力和变形阻力，包括弹性变形和塑性变形。17马氏体相变的热力学持征相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自相变驱动力18相变驱动力18马氏体相变的Bain转变模型(111)γ<=>(011)a’

[101]γ<=>[111]a’

[110]γ<=>[100]a’

[112]γ<=>[011]a’这一机制从晶体结构上给出了相变前后两相之间对应的原子面和方向，但是，它不能解释宏观切变，即表面浮凸，也不能解释不应变平面、惯习面的存在19马氏体相变的Bain转变模型(111)γ<=>(011)马氏体相变的K-S转变模型马氏体相变分三步进行K-S转变模型和Bain转变模型一样，解释了新旧两相之间的位向关系，但是，也不能解释表面浮凸现象和惯习面的存在20马氏体相变的K-S转变模型马氏体相变分三步进行K-S转变模马氏体相变的西山转变模型马氏体相变分三步进行21马氏体相变的西山转变模型马氏体相变分三步进行21马氏体相变的G-T转变模型平均切变角为10°45’G-T转变模型解释了表面倾动效应，也解释了惯习面的位向、马氏体的位向以及结构改变，但是，它没有解决愤习面的不应变和不转动现象22马氏体相变的G-T转变模型平均切变角为10°45’G-T转马氏体相变是无扩散性相变LiMg合金在-200℃下发生了马氏体相变。在-200℃这样的低温下，原子的扩散是不可能的。FeC合金和FeNi合金在-20～-195℃之间，马氏体形成的时间约为0.05～0.5μs，在-200℃以下以同样的速度形成马氏体。CuAl合金中，从母相到马氏体相的转变，有序结构保持不变，根据有序母相的CuAl的原子位置及其取向关系，可以计算出形成马氏体超结构X射线图相，结果与实验一致，说明马氏体型相变过程只有原子位置的移动(小于一个原子间距)，而没有原子位置的调换。FeC合金中，C原子和Fe原子的间隙位置，在奥氏体和马氏体中都保持不变，并导致马氏体的四方性。马氏体相变前后没有任何化学成分的改变，马氏体相成分和原母相成分完全一致23马氏体相变是无扩散性相变LiMg合金在-200℃下发生了马氏马氏体相变是切变性相变

切变性相变：从母相到马氏体相的转变过程是以切变方式进行的，是靠母相和新相界面上的原子以协同的、集体的、定向的和有次序的方式移动，实现从母相到马氏体相的转变实验证明浮凸：预先磨制抛光好的试样，当激冷发生马氏体相变后，在试样表面能观察到宏观的倾斜的隆起折线：在发生马氏体相变前，在试样上刻上一条直线，发生马氏体相变后，刻痕直线受折，有的时候会被折成几段，但直线仍然保持连续24马氏体相变是切变性相变切变性相变：从母相到马氏体相的转变过马氏体相变中的浮凸和折线25马氏体相变中的浮凸和折线25马氏体相变的切变变形模式26马氏体相变的切变变形模式26马氏体相变是共格性相变共格性相变：相界面上的原子既属于母相，也属于马氏体相27马氏体相变是共格性相变共格性相变：相界面上的原子既属于母相马氏体相变的惯习面(HabitPlane)在马氏体相变中，马氏体总是沿着母相的某一晶面开始产生，这个晶面在马氏体相变的全过程中，既不发生畸变，也不发生转动。这样的晶面就称为惯习面，惯习面也是两相的交界面一般来说，每一种金属或合金在形成马氏体时都有自己确定的惯习面惯习面以母相的晶面指数来表示，大多情况下为无理数指数面28马氏体相变的惯习面(HabitPlane)在马氏体相变中，马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性马氏体内一定有晶体缺陷存在，这些缺陷包括孪晶、高密度位错、层错等高碳钢晶体缺陷：孪晶底碳钢晶体缺陷：高密度位错有色合金晶体缺陷：层错或孪晶马氏体相变具有可逆性：在冷却过程中形成的马氏体，经过加热后可以通过马氏体逆转变回到母相状态。29马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性马氏体内一定有晶体缺陷存在，这热弹性马氏体相变马氏体相变的三种分类方式按相变驱动力的大小分大，几百cal/mol，小，几cal/mol～几十cal/mol按马氏体的形成方式分变温马氏体转变，马氏体的生成量是温度的函数马氏体片的数量虽温度而改变马氏体片的大小随温度而变等温马氏体转变，马氏体的生成量是时间的函数根据马氏体相变及其逆相变的温度滞后(As－Ms)大小分小，热弹性马氏体大，非热弹性马氏体30热弹性马氏体相变马氏体相变的三种分类方式30热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变的一般特征马氏体量是温度的函数相变温度滞后小，相变驱动力小相界面与马氏体晶界有良好的协调性两类热弹性马氏体相变第一类热弹性马氏体相变：Ms—Mf间隔小，且As>Ms第一类热弹性马氏体相变：Ms—Mf间隔大，且As<Ms31热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变的一般特征31热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变的晶体学特征具有晶体学可逆性：表现为马氏体晶体结构在逆相变中回复到了原来母相的晶体结构，以及在晶体位向上也得到了完全的回复β相合金的晶体结构持征及其分类β合金：母相是体心立方结构类型的形状记忆合金β合金分3类马氏体相的周期堆垛结构热弹性马氏体相变中的晶体结构对应关系32热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变的晶体学特征32形状记忆原理——形状回复的原因马氏体相变时，母相向马氏体转变，原子排列面发生切应变。马氏体变体以形成马氏体片群的自协作方式，沿取阻力小、能量低的方向，完成马氏体转变，转变前后的合金保持严格的晶体结构的对应关系。转变后的马氏体如果受到外力的作用，马氏体变体就会顺着外力的方向发生择优取向，当大部分或全部的马氏体都采取一个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。将变形马氏体加热到Af点以上，马氏体发生逆转变，对于那些马氏体晶体的对称性很低的合金，转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一个位向——母相原来的位向。尤其当母相为长程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位向的母相倾向更大。逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢复。33形状记忆原理——形状回复的原因马氏体相变时，母相向马氏体转变形状记忆效应的3种类型单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时不能恢复低温相时的形状。双程形状记忆效应：材料加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复高低温相形状的现象。全程形状记忆效应：材料加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状。目前只在富镍的Ti-Ni合金中发现。34形状记忆效应的3种类型单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种形状记忆效应与温度和应力之间的关系35形状记忆效应与温度和应力之间的关系3536363737形状记忆合金TiNi形状记忆合金铜基形状记忆合金铁基形状记忆合金38形状记忆合金TiNi形状记忆合金38TiNi形状记忆合金概述TiNi合金的晶体结构：母相、马氏体相TiNi合金的马氏体相变马氏体正相变P→IC→R→M

马氏体逆相变M

→R→IC→PR相的特点TiNi合金马氏体相变温度点调整控制调整Ni含量加Fe39TiNi形状记忆合金概述39铜基形状记忆合金特点：母相均为体心立方结构，称之为β相合金铜基形状记忆合金的相变温度Ms和Af随热循环次数变化关系Cu-Zn-AlCu-Al-Ni铜基形状记忆合金的缺点及改进方法40铜基形状记忆合金特点：母相均为体心立方结构，称之为β相合金铁基形状记忆合金概述铁基形状记忆合金没有发现具有伪弹性FeMnSi合金的特点铁基形状记忆合金形状记忆效应的机制——以FeMnSi合金为例：应力诱发马氏体相变41铁基形状记忆合金概述41形状记忆合金的制作方法

＿TiNi形状记忆合金TiNi合金的熔炼成分控制TiNi合金的加工热加工冷加工切削加工42形状记忆合金的制作方法

＿TiNi形状记忆合金TiNi合金的形状记忆合金的制作方法

＿TiNi形状记忆合金TiNi合金的形状记忆处理单程记忆效应的记忆处理中温处理低温处理时效处理双程记忆效应的记忆处理强制变形约束加热训练43形状记忆合金的制作方法

＿TiNi形状记忆合金TiNi合金的应力诱发马氏体相变概念图44应力诱发马氏体相变概念图44γ→ε相变晶格变动模型45γ→ε相变晶格变动模型45Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni合金的相变温度Ms和Af随热循环次数变化关系46Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni合金的相变温度Ms和Af随TiNi合金母相的晶体结构47TiNi合金母相的晶体结构47TiNi合金马氏体相的晶体结构48TiNi合金马氏体相的晶体结构48TiNi合金的马氏体相变49TiNi合金的马氏体相变49TiNi合金中R相的特点母相与R相之间也是晶体学可逆的。R相变的最大特点是重复持性稳定，热循环反复动作50万次，其动作持性几乎没有任何变化。R相变的另一重要持征是温度滞后很小，只有1—2K，50TiNi合金中R相的特点母相与R相之间也是晶体学可逆的。50热弹性马氏体相变晶体学可逆性51热弹性马氏体相变晶体学可逆性513类β相合金β1DO3型，β2

B2型，L12型523类β相合金β1DO3型，β2B2型马氏体相的周期堆垛结构β合金的马氏体相变可以这样来考虑，相变中的晶格转变是通过(110)面自身的变形和沿着(110)面的方向产生切变来完成的β2合金生成的马氏体晶体结构有A、B、C3种密集原子面β1合金生成的马氏体晶体结构有A、B、C、A′、B′、C′6种密集原子面密集原子面都按不同的顺序很有规律地堆垛起来，构成了周期堆垛结构53马氏体相的周期堆垛结构β合金的马氏体相变可以这样来考虑，相变β2合金生成的3种密集原子面由β2母相生成的A，B，C3个密集面堆垛而成的马氏体结构为3R和9R54β2合金生成的3种密集原子面由β2母相生成的A，B，C3个β1合金生成的6种密集原子面由β1母相生成的6个密集面堆垛而成的马氏体结构为6R和18R55β1合金生成的6种密集原子面由β1母相生成的6个密集面堆垛而各种长周期堆垛的马氏体基面与母相的{110}面相对应，母相和马氏体相的晶格对应为H：指六方对称(HexagonalSymmetry)R：菱面对称(RhombohedralSymmetry)3R为立方晶系其余为斜方晶系56各种长周期堆垛的马氏体基面与母相的{110}面相对应，母相和B2结构的β1相转变为3R，9R，2H结构示意图57B2结构的β1相转变为3R，9R，2H结构示意图57晶格对应关系DO3母相的β2相转变为18R结构示意图58晶格对应关系DO3母相的β2相转变为18R结构示意图585959两类热弹性马氏体相变60两类热弹性马氏体相变60616162626363646465656666TiNi形状记忆合金的制备

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TiNi合金的熔炼成分的控制，Ni含量变化0.1%，相变温度Ms变化10K，Af变化10-20K杂质C、N、O的控制：TiC、Ti4Ni2O改变合金的相变温度及合金的性能熔炼方法有：电子束、电弧、等离子体、高频熔炼67TiNi形状记忆合金的制备

—TiNi合金的熔炼成分的控制TiNi合金熔炼方法比较68TiNi合金熔炼方法比较68TiNi形状记忆合金的制备

—TiNi合金的加工

热加工拉伸曲线：温度、拉伸强度、延伸率加工温度：700—850℃，保温一段时间溶解非平衡相冷加工：难材料的拉伸强度和屈服应力都与温度密切相关加工中迅速造成加工硬化，随着加工率的增加，合金的延伸率急剧下降，屈服强度明显上升措施：冷加工过程反复多次退火切削加工：非常困难，用超硬合金69TiNi形状记忆合金的制备

—TiNi合金的加工

热加工6TiNi合金的温度-应力-应变曲线Ti-50at%Ni70TiNi合金的温度-应力-应变曲线Ti-50at%Ni70TiNi形状记忆合金的制备

—形状记忆处理

单程记忆效应的记忆处理：3种方法中温处理：400℃—500℃，保温几分钟到几小时低温处理：800高温退火，室温加工成形，200—300℃温度下保温数分钟至数十分钟时效处理：Ni含量在50.5at％以上的合金，800—1000℃均匀化，急冷，400℃左右保温数小时71TiNi形状记忆合金的制备

—形状记忆处理

单程记忆效应的记TiNi形状记忆合金的制备

—形状记忆处理

双程记忆效应的记忆处理：使合金试样反复多次地在升温和降温中可逆地发生形状变化，加热升温时变成高温时的形状，冷却降温时，变成低温时的形状。强制变形：就是对低温马氏体状态下的合金进行一定限度的、10%以上的变形约束加热：使处于马氏体状态下的合金变形，并将变了形的形状约束固定下来，然后将合金加热到高于Af温度50K以上训练：将合金元件变形到估计能回复的程度，然后将合金元件加热，使它回复原来形状，反复多次地重复上述变形、加热，即可得到双程形状记忆效应72TiNi形状记忆合金的制备

—形状记忆处理

双程记忆效应的记铜基形状记忆合金的制备

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铜基合金的熔炼熔炼炉的选择：电磁感应炉原料和熔剂的选择：Zn蒸汽压大,Al燃烧热大CuZn、CuAl母合金、高纯Zn、Al硼砂、氯化钠、氯化钾组成熔剂相变点的控制：合金成分的调整Al：3—6.5％，变动0.1%，变动15—20℃Zn：变动0.1%，变动5—7℃熔炼条件：熔炼温度、烧损量的补充，坩埚73铜基形状记忆合金的制备

—铜基合金的熔炼熔炼炉的选择：电磁铜基形状记忆合金的制备

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铜基合金的加工CuZnAl合金的热加工性能十分优良，在α+β两相共存状态下具有超塑性，用热锻方法可以容易地加工出形状复杂的元件CuZnAl合金的冷加工性能与合金的组织紧密相关：β、γ、α+β，例子CuZnAl合金的切削加工性能也十分良好，不论是β单相组织，还是α+β两相组织，都不存在任何问题74铜基形状记忆合金的制备

—铜基合金的加工CuZnAl合金7575铜基形状记忆合金的制备

—形状记忆处理单程形状记忆处理:β化处理：将合金元件加热到β相区并保温一段时间使合金组织全部变成β相，在β相状态下固定合金元件的形状淬火处理：控制冷却速度，防止α相的析出直接淬火：将β化处理后的合金元件直接淬入室温水中或冰水中，稳定化处理分级淬火：把β化处理后的合金元件先在150℃左右约油中淬火，停留—定的时间，然后再淬入室温水中76铜基形状记忆合金的制备

—形状记忆处理单程形状记忆处理:7铜基形状记忆合金的制备

—形状记忆处理双程形状记忆处理：主要采用训练法77铜基形状记忆合金的制备

—形状记忆处理双程形状记忆处理：主形状记忆合金的应用概述：1960年CdAgAu温度开关1970年宇宙飞船天线80年代～90年代，日本每年1000项专利驱动能力：600MPa形状记忆合金应用目前的研究热点应用领域78形状记忆合金的应用概述：78形状记忆合金应用目前的研究热点形状记忆合金发动机曲轴偏心式热机皮带轮式热机斜板式热机形状记忆合金机器人形状记忆合金人工心脏79形状记忆合金应用目前的研究热点形状记忆合金发动机795个自由度的微型机械手805个自由度的微型机械手80形状记忆合金人工心脏81形状记忆合金人工心脏81曲轴偏心式热机82曲轴偏心式热机82皮带轮式热机83皮带轮式热机83斜板式热机84斜板式热机848585形状记忆合金的驱动能力记忆合金马达蚂蚁人86形状记忆合金的驱动能力记忆合金形状记忆合金的应用领域工业中的应用管接头紧固销钉汽车排热装置机车分流阀火灾报警器：温度敏感开关自动干燥箱其他：对流式微波炉调节风门、空调视风向自动调节机构、过电流保护器等等87形状记忆合金的应用领域工业中的应用87形状记忆合金的应用领域医学