第二章-形状记忆合金-

《智能材料》第二章形状记忆合金1回顾：智能材料的基本结构传感材料驱动材料控制材料智能材料材料自身能够探测到外部环境状态的变化能够自动地执行改变材料状态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令2●1962年，美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，无意中靠近手中点燃的雪茄，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。●1963年，美国海军军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应。●NiTi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好、成本相对低廉等很多特点而引起了极大关注，时至今日形状记忆合金已得到了广泛应用。2.1形状记忆效应32.1形状记忆效应4形状记忆效应（ShapeMemoryEffect，简称SME）

在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象。

具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,简称SMA）2.1形状记忆效应52.2马氏体相变马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移。6形象对说，马氏体相变就像解放军走分列式，各原子“动作整齐，步调一致”。2.2马氏体相变7●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“加热和冷却”过程中钢铁内部相组织发生了变化，从而引起了钢的性能变化。为了纪念再这一发展过程中做出杰出贡献的德国冶金学家AdolphMartens，法国著名的冶金学家Osmond建议将钢经过淬火所得的高硬度相成为“马氏体”，并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。“马氏体”-“Martensite”。2.2马氏体相变8上世纪四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn等合金以及许多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到冷却过程中发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发生的马氏体转变。由于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为：“在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏体”。把以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏体相变。2.2马氏体相变9共析碳钢C曲线图马氏体转变有一上限温度，这一温度称为马氏体转变的开始温度，用Ms表示。马氏体转变还有一个下限温度，用Mf表示，当奥氏体过冷到Mf以下时转变也不能再进行了。称为马氏体转变的下限温度或马氏体终了点。也就是说马氏体转变是在Ms—Mf之间进行的。2.2马氏体相变102.2马氏体相变热滞后热滞后（温度滞后），反映的是马氏体转变的阻力！MfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATUREMfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATURE(twinned)(twinned)11普通马氏体相变热弹性马氏体相变

温度2.2马氏体相变12普通铁碳合金：非热弹性马氏体相变相变温度滞后约为几百度各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终大小，且不会因温度降低而再长大。非热弹性马氏体2.2马氏体相变13形状记忆合金：热弹性马氏体相变其相变温度滞后约几十度，有的形状记忆合金只有几度的温度滞后。冷却过程中形成的马氏体会随温度的变化而继续长大或收缩，母相和马氏体相的相界面表现出弹性式的推移，在相变的全过程中一直保持着良好的协调性。热弹性马氏体2.2马氏体相变14高温相：奥氏体（通常为立方晶系）2.2马氏体相变15低温相：马氏体（通常为斜方相）孪生马氏体

形变马氏体2.2马氏体相变16温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体2.2马氏体相变17温度和应力作用下得到的马氏体形态不同。在应力作用下，对孪生马氏体进行变形，使其转变为退孪生马氏体。完成转变的应力开始转变的应力宏观形状发生改变2.2马氏体相变18应力卸载后，宏观形状改变得到保留。然后对弯曲的工件加热，其将回复到原始形状。2.2马氏体相变19形状记忆效应示意图2.3形状记忆合金的训练20驯兽，是改变了动物的内心世界。驯形状记忆合金：是改变了材料内部的缺陷组态。单程记忆效应双程记忆效应2.3形状记忆合金的训练21每一个循环都会留下永久变形该变形量越来越小，直到趋于零，训练完成训练过程是为了引入内部缺陷，在该内部缺陷的作用下，降温时才会转变为孪生马氏体，否则不具备形状记忆效应。如果对训练完成的合金进行退火处理，缺陷组态消失，将失去形状记忆功能。需要重新训练才能恢复。2.3形状记忆合金的训练22形状恢复完全可逆需具备以下条件：马氏体相变是热弹性的母相和马氏体呈现有序的点阵结构马氏体的变形，必须是通过退孪晶来实现马氏体相变在晶体学上是可逆的2.3形状记忆合金的训练232.3形状记忆合金的应用

记忆合金管的接头24月面天线天飞机释放的膨胀月面天线25双程CuZnAl记忆合金花

采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为65℃~85℃，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。动作幅度为1800。另外，可据用户要求订做。

2.3形状记忆合金的应用26形状记忆合金眼镜架2.3形