《形状记忆合金讲》课件

形状记忆合金形状记忆合金是一种具有特殊性能的材料，它在特定条件下能够恢复到原来的形状。什么是形状记忆合金？形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的特殊金属合金。当材料被加热到特定的温度时，它会恢复到其原始形状。形状记忆合金的这种独特性能使其在各种领域具有广泛的应用。形状记忆合金的工作原理1相变加热到一定温度，形状记忆合金会发生相变2回复相变后，合金恢复到原始形状3形变在低温状态下，合金可以被塑性形变形状记忆合金的特点形状恢复在一定的温度范围内，形状记忆合金可以恢复到预设的形状。高强度与传统金属相比，形状记忆合金具有更高的强度和抗疲劳性。超弹性形状记忆合金可以承受比传统金属更大的形变而不发生永久性变形。形状记忆合金的发展历程早期研究1932年，奥奈斯发现金-镉合金具有形状记忆效应。合金发展20世纪60年代，美国海军研究室开始了形状记忆合金的研究，并开发出镍钛合金（Nitinol）。应用拓展20世纪70年代开始，形状记忆合金在医疗、航空、汽车等领域得到应用。未来展望形状记忆合金的研究和应用仍在不断发展，未来将有更多的新材料和新应用出现。形状记忆合金的制造方法1熔炼将原材料混合，高温熔化并混合成均匀的合金2热处理通过加热和冷却，使合金获得所需的相变特性3加工成型将合金加工成所需的形状，如线材，板材或管材4表面处理通过表面处理，提升合金的耐腐蚀性和耐磨性形状记忆合金的性能指标指标单位典型值恢复应力MPa100-1000恢复应变%2-10相变温度℃-50-200抗拉强度MPa400-1000屈服强度MPa200-600延伸率%5-20形状记忆合金的应用领域医疗器械形状记忆合金在医疗器械中应用广泛，例如，用于制作血管支架、人工心脏瓣膜、骨钉和骨板等。航天航空形状记忆合金可用于制造飞机和火箭的部件，如机翼、尾翼和发动机部件，提升其性能和可靠性。汽车工业形状记忆合金在汽车工业中用于制造发动机部件、安全气囊、排气系统和座椅，提升其性能和安全性。消费品形状记忆合金也用于制造眼镜架、手表、玩具和运动器材等消费品，提升其功能和耐用性。医疗器械中的应用形状记忆合金在医疗器械领域拥有广泛的应用，其独特的性能为医疗器械的创新提供了新的可能。用于制造**可控释放药物**的支架，在温度变化下改变形状，释放药物。用于制作**微创手术工具**，如血管夹和导管，提高手术的精确性和安全性。用于制造**人工关节和骨骼**，模拟人体骨骼的弹性和韧性，改善患者的生活质量。航天航空中的应用形状记忆合金在航天航空领域拥有广阔的应用前景。它们能够在高温、低温、高压等极端环境下保持良好的性能，并具有优异的抗疲劳性和抗腐蚀性。例如，形状记忆合金可以用于制造航天器的结构件，例如机身、机翼、卫星天线等，以提高其强度和耐用性。此外，形状记忆合金还可以用作航天器上的智能控制元件，例如自修复结构、可控变形机构等，以提升航天器的可靠性和安全性。汽车工业中的应用形状记忆合金在汽车工业中有着广泛的应用，例如：用于制造汽车保险杠、引擎盖等部件，提高汽车的安全性用于制造汽车座椅、方向盘等部件，提高汽车的舒适性用于制造汽车排气系统，提高汽车的燃油效率消费品中的应用形状记忆合金在消费品领域拥有广泛的应用，为生活带来便捷和舒适。从智能眼镜到自调节服装，形状记忆合金正在改变着人们的生活方式。智能眼镜框架：形状记忆合金眼镜框架可以根据不同的脸型自动调节，提供舒适的佩戴体验。自调节服装：形状记忆合金织物可以根据温度变化自动调整衣服的松紧度，保持舒适的穿着体验。可折叠手机：形状记忆合金可以用于制作可折叠手机的铰链，实现手机的灵活折叠和展开。形状记忆合金材料的分类单向形状记忆合金仅在特定温度下恢复到原始形状。双向形状记忆合金可在两个方向上恢复到预设形状。单向形状记忆合金定义仅在加热时恢复到原始形状的形状记忆合金。特点恢复原始形状的温度和方向是固定的。双向形状记忆合金双向形状记忆效应双向形状记忆合金可以根据温度变化在两个不同的形状之间转换。应用领域双向形状记忆合金在航空航天、医疗器械等领域具有广泛的应用前景。示例例如，可用于制造可调节形状的医疗器械，或用于航空航天领域中的温度控制。形状记忆合金的相变行为1奥氏体相高温状态下的稳定结构，具有高弹性，能承受较大形变。2马氏体相低温状态下的稳定结构，具有高强度，但塑性较差。3相变过程温度变化导致合金晶体结构发生变化，从奥氏体相变为马氏体相或反之。形状记忆合金的热机械性能热循环形状记忆合金可以承受多次热循环而不会显著退化，使其适用于需要反复循环热应力的应用。力学性能形状记忆合金具有高强度、高弹性模量和高屈服强度，使其能够承受高载荷。形变能力形状记忆合金能够在高温下承受大形变并恢复其原始形状，使其适用于需要高形变能力的应用。形状记忆合金的超弹性大变形形状记忆合金可承受高应力下的显著变形，并恢复原状。可逆性变形和恢复过程可反复进行，且性能保持稳定。能量吸收超弹性可吸收大量能量，应用于缓冲和减震等领域。形状记忆合金的工艺制备1熔炼工艺形状记忆合金的熔炼过程是其制造的关键环节，需要严格控制温度和成分。2热处理工艺热处理工艺是形状记忆合金获得其特殊性能的必要步骤，包括退火、淬火和时效等。3机加工工艺机加工工艺是将形状记忆合金加工成特定形状和尺寸，以便应用于不同的领域。4表面处理工艺表面处理工艺可以提高形状记忆合金的耐腐蚀性、耐磨性和表面光洁度。熔炼工艺真空熔炼减少杂质和气孔，提高合金的纯度和性能。电弧熔炼利用电弧的高温熔化金属，适用于高熔点合金。感应熔炼利用电磁感应原理加热金属，适用于大规模生产。热处理工艺退火退火是将形状记忆合金加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却的工艺。退火可以消除合金内部的应力和提高其塑性。时效时效是将形状记忆合金加热到低于其相变温度的温度，保温一段时间后冷却的工艺。时效可以提高合金的强度和硬度。淬火淬火是将形状记忆合金加热到一定温度，保温一段时间后快速冷却的工艺。淬火可以提高合金的硬度和耐磨性。机加工工艺切割形状记忆合金的切割需要使用特殊的工具和方法，以避免材料的变形或损伤。钻孔形状记忆合金的钻孔需要使用硬质合金钻头，以确保孔的精度和表面质量。车削形状记忆合金的车削需要使用高速切削工具和润滑剂，以防止材料的过热和变形。表面处理工艺电镀提高合金的耐腐蚀性，提高合金的耐磨性，美观。激光表面处理提高合金的表面硬度，改善合金的疲劳性能。阳极氧化提高合金的耐腐蚀性，增加合金的表面硬度，改善合金的抗磨损性能。形状记忆合金的测试与表征显微组织分析观察合金的微观结构，了解其相变行为和力学性能。相变行为分析确定形状记忆合金的相变温度、相变过程、相变焓变等参数。力学性能测试测量形状记忆合金的强度、硬度、弹性模量、屈服强度等性能指标。显微组织分析金相显微镜观察合金的显微结构，例如晶粒大小、形状和分布，以及相变产物的形态和数量。这些信息有助于理解合金的性能和加工过程。扫描电子显微镜对合金的表面进行高分辨率成像，可以识别微观结构的细节，包括晶界、夹杂物和裂纹。透射电子显微镜通过电子束穿透薄样品来研究材料的内部结构，可以观察原子排列和缺陷，为理解合金的相变机制提供依据。相变行为分析差示扫描量热法(DSC)DSC可以测量材料在加热或冷却过程中的热流变化，以确定相变温度和焓变。X射线衍射(XRD)XRD用于分析材料的晶体结构和相变过程中的结构变化。透射电子显微镜(TEM)TEM提供了材料微观结构的详细信息，包括相变的形貌和机制。力学性能测试拉伸测试测量形状记忆合金在拉伸载荷下的应力和应变关系，以评估其强度和延展性。压缩测试评估形状记忆合金在压缩载荷下的变形能力和恢复能力。弯曲测试测试形状记忆合金在弯曲载荷下的变形和恢复特性。形状记忆合金的未来发展趋势1材料性能的优化提升强度、韧性、耐腐蚀性2新应用领域的开拓拓展医疗、航空、能源等领域3制造工艺的创新提高制造成本效益，扩大应用规模材料性能的优化提高强度通过添加合金元素或进行热处理，可以提高形状记忆合金的强度和硬度，使其更耐用。改善耐腐蚀性通过表面处理或使用耐腐蚀合金元素，可以提高形状记忆合金的耐腐蚀性能，使其在恶劣环境下也能保持良好性能。增强抗疲劳性通过优化材料的微观结构和加工工艺，可以提高形状记忆合金的抗疲劳性能，使其能够承受反复的形变而不发生断裂。新应用领域的开拓形状记忆合金在机器人领域具有巨大潜力，可以实现更灵活、更精准的动作控制。形状记忆合金可以用于智能家居