功能材料课件-形状记忆合金

第四章形状记忆合金

形状记忆原理形状记忆合金材料的种类及特点形状记忆材料的应用形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys）以其特有的形状记忆效应（ShapeMemoryEffect)而得名。形状记忆效应：

——是指合金在一定条件下变形，当加热到一定温度时，其形状得以恢复的功能。形状记忆合金

——是通过热弹性与马氏体相变及其反转而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。常规金属材料的最大弹性变形：0.5～0.8％形状记忆合金的最大弹性变形量：8％

形状记忆原理

形状记忆合金机理：热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变：A0f：奥氏体终了温度A0s：奥氏体开始温度M0f：马氏体终了温度M0s：马氏体开始温度温度马氏体晶体大小下降长大升高缩小应力弹性马氏体相变

超弹性机理：应力弹性马氏体相变超弹性（伪弹性）：在马氏体形成开始温度以上某个温度施加变形能形成马氏体。应力马氏体晶体大小增大长大减小缩小形状记忆过程

形状记忆合金基本要求早期：①马氏体是热弹性的②形变是通过孪生而不是滑移发生的③马氏体是由有序的母相形成的④相变时在晶体学上是完全可逆的近年：形成单变体马氏体并排除其它阻力，材料通过马氏体相变及其逆相变，从而实现记忆效应。形状记忆合金马氏体相变的特点：①非扩散型相变，即母相原子排列的切应变；②变形所引起的应力场会影响马氏体的生长方向；③马氏体形成时都伴随形状变化，造成马氏体的择优取向，形成在某方向上的单晶马氏体。形状记忆效应的种类形状记忆效应可以分为三种：（1）单向形状记忆效应（2）双向形状记忆效应（3）全方位形状记忆效应*课堂练习简述形状记忆效应的种类及其特点。形状记忆合金可以分为三种：镍钛系铜系铁系其性能见P51表5-2镍钛系基本特点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。（一）Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变析出相：Ti2Ni和TiNi3这三个金属间化合物，对记忆效应有影响基本相－TiNi相：母相是CsCl结构的体心立方晶体(B2)马氏体的结构为单斜晶体结构是棱面体点阵的R相（适当的热处理或成分条件下出现）TR相变不出现记忆效应由单一相变贡献Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程母相马氏体母相R相马氏体依成分和预处理条件的不同相变过程都是热弹性马氏体相变R相变出现记忆效应由两个相变阶段贡献加铁、时效例：加Cu置换Ni形状记忆效应、力学性能，合金的价格显著降低加入Cu对相变温度有显著影响相变温区（Ms-Mf）、（Af-As）都变窄窄滞后记忆合金

例：加Nb可得到很宽滞后的记忆合金（二）合金元素对Ti-Ni合金相变的影响加入合金元素调整相变点铜系Cu-Al合金Al含量高时γ2相也随之析出不利于记忆效应。加入Ni可抑制γ2相析出,从而发展出Cu-Al-Ni系记忆合金。加入其它组元进一步提高性能（多元合金）基本特点：形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造，但强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。

主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来Cu-Zn合金的热弹性马氏体相变温度极低，通过加入Al,Ge,Si,Sn,Be可以有效的提高相变温度，由此发展了的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be)三元合金。加入其它组元进一步提高性能（多元合金）

Cu-Zn-Al合金相图的垂直截面图(6wt%Al)Cu基记忆合金的成分范围通常在相（电子化合物）区（一）Cu基记忆合金中的基本相和相变

相区成分的合金亚稳的有序

'相高温淬火冷却马氏体热弹性马氏体相变转变加热冷却（二）Cu-Zn-Al基记忆合金的稳定性及其影响因素影响相变点的因素：稳定性－相变点、记忆性能、力学性能、化学成分：Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)%

热循环：随热循环次数的增加相变点会变化。在大多数情况下Ms、Af温度升高，而As和Mf下降或保持不变。同时马氏体转变的量也会有所降低，即有部分马氏体失去热弹性。循环一定次数后相变点与马氏体转变量都趋于稳定值。铁系基于热弹性可逆马氏体相变基本特点：铁基记忆合金具有强度高、易于加工成型等优点、实用的合金经济性好主要合金：Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Pt、Fe-Pd相变温度很低基于非热弹性可逆马氏体相变Fe-Mn-SiFe-Ni-SiFe-Cr-Si-Mn-CoMs点在室温附近，可回复变形高达4%，耐蚀性很好基于非热弹性可逆马氏体相变的形状记忆机制马氏体非热弹性马氏体非自适应形成马氏体不能发生再取向马氏体可应力诱发形成马氏体具有择优取向马氏体在加热时能够逆转变为奥氏体合金产生宏观变形变形随之消失形状记忆变形在Ms以上进行无双程记忆效应形状记忆合金的应用阿波罗11号——天线机械应用自控元件形状记忆合金制成的水龙头上的温度调节装置制作发动机利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能、热能之间的相互转换。医学上的应用血栓过滤器图1过滤器植入前造影，见左下肢静脉堵塞图2过滤器植入前定位1，肾静脉造影图3过滤器植入前定位2，肾静脉造影图4过滤器植入后扩张形状记忆合金制成的“蝴蝶”（可模仿肌肉的收缩）人工心脏陶瓷形状记忆材料随温度的变化纯ZrO2有三种晶型，其结构分别为立方晶系、四方晶系（简记为t相）、单斜晶系（简记为m相）。其转化关系为：

1170oC2370

oC2715

oC

单斜ZrO2

四方ZrO2

立方ZrO2

液体施加应力也可诱发t相转变为m相可逆马氏体相变可实现形状记忆（与铁基记忆合金类似）冷却加热t相m相SMP的记忆机理形状记忆高分子（shapememorypolymer,简称SMP）SMP可以是