形状记忆合金

神奇的功能材料—形状记忆合金

北京交通大学张克军cauzkj@12/18/20241神奇的功能材料—形状记忆合金形状记忆效应Ti-Ni形状记忆合金的原理Ti-Ni形状记忆合金的驱动性能研究形状记忆合金的应用12/18/20242

1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支，可以认为是始于1963年。当时美国的海军武器实验室的W.J.Buchler博土研究小组，在一次偶然的情况下发现，TiNi合金工件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究，将这种材料制成的细丝的一端弯曲，并靠近点烟火柴火焰，发现弯曲的细丝伸直了。

12/18/20243形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称SME)形状记忆效应——将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的材料——形状记忆材料形状记忆合金

一般金属材料收到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性变形，应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。

12/18/20244具有形状记忆效应的金属，通常是由2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)。

20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆合金12/18/20245形状记忆效应可分为3种类型：①单程形状记忆效应②双程形状记忆效应③全程形状记忆效应

形状记忆合金12/18/20246单程形状记忆效应——材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。

形状记忆合金单程形状记忆效应12/18/20247双程形状记忆效应——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恢复高低温相形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。

形状记忆合金双程形状记忆效应12/18/20248全程形状记忆效应——当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的现象。只能在

富镍的Ti-Ni合金中出现。

形状记忆合金全程形状记忆效应12/18/20249马氏体相变与形状记忆原理热弹性马氏体相变超弹性和伪弹性应力诱发马氏体相变形状记忆合金12/18/202410普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变与形状记忆原理奥氏体(A)马氏体(M)45＃钢淬火工艺曲线AM钢的马氏体相变不可逆冷却加热形状记忆合金12/18/202411在某些合金中发现热弹性马氏体相变：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小——热弹性马氏体AM可逆性冷却加热形状记忆合金12/18/202412具有较低的对称性的正交或单斜晶系，内部是孪晶变形或层错具有较高的对称性的立方点阵形状记忆效应的实质：是在温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。形状记忆合金12/18/202413形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金12/18/202414超弹性或伪弹性形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线

(Af温度以上加载）

产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在Af温度以上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，叫做相变伪弹性

或超弹性12/18/202415在T0与Ms之间的某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变。由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱发马氏体相变(Stress-Induceed

MartensiteTransformation)。

本质：应力作用使材料的MS点升高。应力诱发马氏体相变12/18/202416Ti-Ni形状记忆合金的驱动性能研究预应变Ti-Ni合金丝在加热、冷却过程的回复力——温度曲线Ti-Ni合金储能、耗能、输出功与温度和预应变关系Ti-Ni合金热-机循环过程中的应力——应变——温度关系形状记忆合金的阻尼特性12/18/202417

Ti-Ni基形状记忆合金

优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好缺点：制造过程较复杂，价格高昂

Ti-Ni合金通过在1000℃左右固溶后，在400℃进行时效处理，再淬火得到马氏体。形状记忆合金12/18/202418形状记忆合金的应用形状记忆合金12/18/202419①高技术中的应用：制造人造卫星天线

Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状,从而能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。形状记忆合金12/18/202420②工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金12/18/202421③医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤

夹、接骨板等（Ti-Ni合金）支撑性与柔韧性完美协调的Ti-Ni记忆合金食道支架形状记忆合金12/18/202422④智能应用

形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体的新型材料，可广泛应用于各种自动调节