2.1、6非调质钢、形状记忆合金(2012.9) 2.ppt

1、预 习 内 容,3.1 用途广泛的工程塑料 3.2 可以流动的晶体 液晶高分子材料 (参见教材P8496),本次课程内容,2.1.5 微合金非调质钢（P32 35） 2.6 阿波罗飞船登月所用天线与形状记忆合金材料（P306 312） 1.6 “资料查询与新型材料综述”写法指导（P915）,柴油机连杆,2.1.6 微合金非调质钢与贝氏体钢,1.常用调质钢回顾 2.微合金非调质钢 3.贝氏体钢,何谓“机器制造用钢 （机械结构用钢）”？,机械结构用钢（机器制造或机器零件用钢）系指用于制造各类机器零件，如轴类机械零件、齿轮类机械零件、弹簧类机械零件等所用的钢种。 它包括调质钢，表面硬化钢（渗碳钢和渗

2、氮钢），弹簧钢，滚动轴承钢，易切削钢等。,1. 常用调质钢回顾,淬火成马氏体后在500650之间的温度范围内回火的调质处理用结构钢，称为调质钢。经调质处理后，钢的强度，塑性韧性具有良好的配合（即具有良好的综合力学性能）。调质钢在化学成分上是中碳（0.250.5%C）的碳钢、低合金钢和中合金钢，其对应组织为S回火。调质钢种有45，Cr系（40Cr、40CrSi），Cr-Mn系（40CrMn），Cr-Ni系（40CrNiMo），含硼钢（40MnB）等。,回火索氏体,轴套类零件,结构特点: 1.多数是由同轴的回转体组成； 2.径向尺寸远远大于轴向尺寸； 3.零件上常见结构：均匀分布的孔、轮辐，键槽、

3、等结构。,轮盘类零件,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,曲轴,调质钢的力学性能要求,在机器制造业中，调质钢常用来制造各种轴类零件、连杆、高强度螺栓等，受力状况较复杂。例如，轴类零件工作时，既传递转距又承受弯曲作用，承受的力是交变动负荷；有时还承受一定冲击载荷作用；轴颈部位还作相对运动，产生一定的摩擦磨损。其力学性能要求：高的屈服点和疲劳强度，良好的冲击韧度和塑性，即具有良好的综合力学性能。同时，还要考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。一般调质钢的性能范围大致为：b8001200MPa，S7001000MPa，815，K60120J/cm2，TK40。,调质处理车间,调质钢的热处理工艺特点,预备热处

4、理 退火（正火）； 最终热处理 调质（表面淬火）。,真空淬火炉,网带式回火电炉,调质钢的淬透性、合金化与热处理,为保证工件表层足够深度能够被淬透从而得到较高的强度,要求钢材应具有足够淬透性（如右下图所示）,在钢中添加适量的Cr、Mn、Mo、Ni、B等合金元素可明显提高钢的淬透性和强度。钢中合金元素含量越高,其淬透性以及强度也就越高,但相应的生产成本也就明显增加。含硼钢由于合金成本方面的优势具有重要的发展潜力。此外,淬火介质的冷却能力越大,淬硬层越深。,为保证工件在调质淬火处理时不产生明显的热处理变形,又要求钢中合金元素含量应控制在合理范围内,且淬火介质的冷却能力也受到一定限制。严格控制碳含量及

5、合金元素含量的波动范围可实现均匀的淬透性(窄淬透性带)并明显降低热处理变形。,典型调质钢简介,连杆螺栓及其热处理工艺曲线图,内燃机曲轴,想 一 想 ：？,微合金非调质钢,2. 节能降耗的非调质机械结构钢,（1）微合金非调质钢的概念与发展过程 （2）微合金非调质钢的分类 （3）微合金非调质钢应用现状与实例分析 （4）微合金非调质钢发展与研究动向,（1）微合金非调质钢的概念与发展过程,第二次石油危机后，在节能动力推动下和微合金化技术基础上，1972年德国蒂森特钢公司开发成功第一代非调质钢49MnVS3（F+P组织类型）以来,世界各国对此产生了浓厚的兴趣,都竞相研究和应用非调质钢,由于韧性差,限制了

6、应用范围。 第二代非调质钢开发于80年代初, 主要有铁素体-珠光体和贝氏体型两大类, 是当前用量最大的非调质钢,为提高F-P型非调质钢的韧性,开发了一系列新技术:晶粒细化法、促进晶内F (IGF)形成技术、氧化物冶金技术;贝氏体型非调质钢具有良好的强韧性, 适合于代替合金调质钢; 为改善非调质钢切削性能, 各国又研制了易切削非调质钢。 1998年美国的Wright提出第三代非调质钢概念, 特点是碳含量低, 其组织为回火M, 具有较高的强度和良好的韧性, 称为低碳M型高强度高韧性非调质钢。 我国自1981年开始研制非调质钢,于1995年完成了9个钢种列标。在B/T15712-1995非调质机械结

7、构钢标准中,按加工方法的不同,将非调质钢分为锻造和切削两类共9个钢号,全部为中碳V系、Mn-V系F-P型,强度范围在650800 MPa。除列标钢种之外,近几年还研制了25MnSiV(Ti)、38MnV(Ti)、35MnVNb、45MnVNb等P-F型非调质钢,但强度级别并没有明显突破;另外,还开发了一批低碳B、低碳M非调质钢,如12Mn2VB、5Mn2VB、10Mn2CrVB、18Mn2VTiB等。,何谓“微合金非调质结构钢” 呢 ？,20世纪70年代初发生的石油能源危机，节能、机械产品和车辆的轻量化、减少CO2温室气体排放的呼声越来越高，随着人们对能源和环保问题的日益关注，发展节能、环保、

8、低成本的“绿色钢材”非调质钢，替代能耗高、周期长、污染严重的调质钢零件已经成为发展工业用钢的必然趋势。 何谓“微合金非调质钢”？ 如下图所示为调质钢（b图）和非调质钢（a图）这两类钢典型的生产工艺流程。由比较可见，非调质钢由于取消了淬火回火等工序，从而简化了生产工艺流程，提高材料利用率，改善零件质量，降低能耗和制造成本（25%38%），减少污染，绿色环保。,（a） （b）,图2.# 非调质钢（a）与调质钢（b）典型工艺,何谓“微合金非调质结构钢” 呢 ？,何谓“非调质机械结构钢 ”？,通过微合金化、控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊

9、质量结构钢。简称“非调质钢”。（GB/T15712-2008非调质机械结构钢给出的定义）, 微合金非调质钢的强韧化途径,i优化成分，提高强韧性 “降C增Mn”。降C可明显提高钢的韧性，其强度损失可由增加Mn含量补偿。 “多元适量，复合加入”的合金化基本原则。微合金化元素V、Ti、Nb和N等，以细晶强化和沉淀强化等方式同时提高材料的强度和韧性。但最常用的是V，通常V的质量分数在0.060.13；N是十分有益元素，N以化合物的形式存在，其主要作用是促进V的析出，提高沉淀析出强化效果，细化晶粒，提高TiN的稳定性用和节约V合金等。S可细化晶粒，促进晶内F析出，提高强韧性，同时也可改善切削加工工艺性能

10、。 均含有一定量Mn元素。在非调质钢中均含有0.60%1.00%或1.00%1.50%的Mn（因大于1.5时，将降低其韧性）。Mn、Cr以固溶强化方式强化基体组织，提高淬透性，增加钢的强韧性。, 微合金非调质钢的冶金工艺特点,i冶炼 冶炼非调质钢时，均要首先充分脱氧，然后再进行合金化。保证钢中含有稳定和适量的N，对控制微合金非调质钢的性能是十分重要的。非调质钢在冶炼时常加入Al、Ti等元素，通过析出AlN、TiN来钉扎A晶界，提高A晶粒长大激活能量，在加热时阻止晶粒长大，在形变过程中抑制A再结晶，细化A晶粒。微合金元素的复合加入比单独加入作用更大。 ii先进的TMCP技术 微合金化与TMCP相

11、结合，才能充分发挥微合金化元素的作用，才能达到最佳的强韧化效果。对于轧制(锻制)并经切削加工后使用的非调质钢来说，轧制(锻制)工艺将决定零件的最终性能。, 微合金非调质钢的性能特点,i力学性能 具有与碳素及合金结构钢调质后同样强度。虽其韧性稍差，但采取某些韧化措施后，也可达相应韧性水平。与调质态使用的机械结构钢相比，微合金非调质钢对尺寸(体积)效应不敏感，使其力学性能、尤其硬度值在零件截面上分布较均匀，这一点对大型零、部件尤为可贵和重要。 ii工艺性能 良好的切削加工性能。在硬度相同情况下，具有F-P组织的非调质钢，其切削加工性能比具有回火S组织的调质钢好。为进一步改善非调质钢的切削加工性，可

12、适量单独添加某易切削元素如S或Pb及Ca、Te(碲)、Se(硒)等，或复合添加这些元素。 良好的表面强化特性。很多机械零件，为提高其表面耐磨性和疲劳强度，都进行表面强化处理。其具有良好高、中频感应加热淬火特性。与同等强度级别调质钢相比，在同样氮化和软氮化工艺条件下，非调质钢的渗层可得到更高硬度；更深渗层深度；氮化处理后心部硬度也不降低。试验表明，非调质钢具有良好的表面强化特性。,非调质钢的力学性能及其应用,技术经济性能特点 表2.6 调质与非调质钢制造机械零件工艺流程比较,从表2.6可看出，采用非调质钢制造零件，与调质钢相比，最大的不同就是省去了热处理工序。对于冷加工成形非调质钢，不但省去调质

13、处理，还省去了退火处理。,(1)非调质钢的规格(尺寸)效应较小，其强度和硬度沿零件截面的分布较为均匀， 提高了零件的整体强度。 (2)避免了调质过程中因工件畸变、开裂而产生废品的风险，提高了成品率。 (3)减少了高能耗的热处理工序，节能减排。 (4)缩短生产周期，提高劳动生产率，节约生产管理费用，即降低制造成本，提 高企业的效益。 (5)良好的切削性能和表面强化性能。,技术经济性能特点, 组织特征,i P+F型非调质钢的组织主要是： 铁素体(F)珠光体（P）+弥散析出的碳化物（K） 强化的主要作用是细化组织和相间沉淀析出。其典型钢种是49MnVS3，其b770MPa，s540MPa，室温U形缺

14、口冲击吸收功AK31J； ii 贝氏体型钢的组织有二种，贝氏体（B）或 B+（F+P） 该类钢的特点是不但有好的强度，而且有较好的韧性，b 830MPa，s 540MPa，室温U形缺口 AK 47J； iii 马氏体型钢的组织为板条状马氏体，具有异常好的韧性及较好的强韧性配合，强韧性达到优质调质钢的水平，30时的韧性是第二类钢的56倍，60时的Ak仍16J。 这三类非调质钢也可被认为是非调质钢发展的三个阶段。,(2) 微合金非调质钢的分类,表2.* 非调质钢的分类及牌号表示方法,表2.5 非调质钢按用途分类,(2) 微合金非调质钢的分类,按化学成分分类 可分为两大类。 i低碳非调质钢 此类非调

15、质钢的碳含量一般控制在0.25以下，即在低碳钢的基础上，加上微合金元素如V、Nb、Ti、N等。 ii中碳非调质钢 而此类非调质钢的碳含量一般控制在0.250.55之间。在此基础上加入微合金元素V、Nb、Ti、N、Al等，有的还要加上Cu、Si等。,表2.5* 几种热锻用非调质结构钢的化学成分(质量分数，%),(3) 微合金非调质钢的分类, 按力学性能特征进行分类 基本可分为四类。 i高强度非调质钢 其热锻后，一般可得到600800N/mm2的抗拉强度（b），用它可代替某些调质的碳素结构钢；合金非调质钢热锻后，一般可得到900MPa以上的强度b，有些甚至可达1100MPa。用它可替代某些调质合金

16、结构钢。 ii高韧性非调质钢 此类钢常加入某些Me，或采用降碳增锰等措施，从而进一步提高钢的强韧性，可克服非调质钢韧性普遍偏低弊端，用于有韧性要求的场合。 iii 高强高韧非调质钢 ; iv 表面强（硬）化非调质钢,图2.5* 几种非调质结构钢(曲轴)的力学性能要求与实际控制水平,(3) 微合金非调质钢的分类, 按组织进行分类 大致可分为三种。 F-P型 其在非调质钢中占据的比重最大，除满足某些特殊用途而采用其他组织为基的非调质钢外，一般非调质钢均为P-F类非调质钢。这是由其化学成分和加工状态所决定，当然也与其使用性能（状态）有关。 晶内铁素体（F）型 这是一种高强度高韧性的新型非调质钢。 低

17、碳贝氏体（B）型 在锻后空冷状态下，可获得低碳贝氏体，借以进一步改善钢的强度、韧性和可焊性。组织中除B外，有时也夹杂有P和F，形成一种混合组织。 低碳马氏体（M）型 利用锻造余热进行淬火、回火，获得低碳M来增加强韧性。,表2.5* 非调质结构钢按显微组织分类,(3) 微合金非调质钢的分类, 按产品形状分类 可分为： i 微合金非调质钢棒材； ii 微合金非调质钢板材； iii 微合金非调质钢管材； iv 微合金非调质钢线材等。 按切削加工性能进行分类 可分为： 易切削微合金非调质钢； 对切削性能无特殊性能要求的微合金非调质钢。,(3)非调质钢的应用现状与实例,非调质钢在汽车零部件上的应用 非调

18、质钢在工程机械上的应用 非调质钢在民用枪械上的应用 非调质钢在标准件上的应用 其他应用,近年来随着计算机、控制、传感及精密测量技术等当代高科技与传统钢铁、制造业的结合，微合金钢的开发应用获得新进展，除汽车工业外，应用范围涉及建材、重型工程结构(起重机、载重车辆)、高压输送管道、桥梁、高压容器、集装箱、船舶等。而这些用途钢材一般占社会对钢材总需求量的60左右。所以非调质钢应用前景广阔，是现代钢铁工业中的主力产品之一。,柴油机连杆,柴油机连杆,非调质钢在汽车零部件上的应用,非调质钢由于钢中加入合金化元素V、Ti、Nb等,在锻造及锻后控冷过程中产生析出强化及晶粒细化作用,其强韧化性能可达或接近调质钢

19、水平,且省去调质热处理,减少大量能耗并具良好加工性能,受到国内外许多汽车厂家重视。如德国奔驰、大众汽车公司，瑞典Volvo汽车公司, 英国Austin公司,美国福特汽车公司,意大利菲亚特汽车公司等大量采用非调质钢制造发动机曲轴、连杆、前轴等重要零件。日本在非调质钢的研究及应用方面更是走在世界前面, 如日本三菱公司的转向系统及传动系统所采用的热锻调质件几乎全部采用非调质钢，日产公司90的曲轴采用非调质钢制造。东风汽车公司采用非调质钢累计生产制造EQS100发动机连杆、康B、康C发动机连杆100多万辆份,康明斯发动机曲轴100多万件,商用车前梁50多万件,取得显著节能效益,被称为节能结构材料。,曲

20、轴视频1,曲轴,热锻和易切削非调质钢，多应用于制造汽车连杆、曲轴、前轴、半轴、花键轴等发动机和传动系统零部件。直接切削非调质钢主要用来制造螺栓、销和杆类零件。 如采用非调质钢制作汽车传动轴叉类及转向系统零件的研究，已取得显著进展。又如汽车油泵传动齿轮原45钢，调质后硬度241207HBW，每把滚齿刀仅加工40多个齿轮；采用35MnVS非调质钢后既减少变形，降低噪声，杜绝淬火废品和翻修，且还使刀具寿命提高近一倍。据国内某企业统计，使用非调质钢可降低成本2538；国内某汽车厂采用国产49MnVS3钢代替日本S53C制造柴油机曲轴，其加工制造成本可节省48元/根。而用非调质钢制造连杆，每件可节约生产

21、成本1315元。上海有关锻造、机械厂与北京机电所合作，将非调质钢及控锻-控冷技术应用到实际生产，已建立了相应控冷生产线分别用以生产轿车曲轴、连杆，取得显著效益。,非调质钢在汽车零部件上的应用,曲轴视频2,目前，国际先进国家研发生产了大量V-Nb复合微合金化的非调质钢，在汽车零件的使用率已达60%以上。 近年来，热锻后空冷高强度贝氏体钢成为非调质钢的重要方向，在同样碳当量下贝氏体钢的抗拉强度比F-P钢高200MPa以上，具有明显优势。韩国浦项公司开发的低成本空冷微合金化低碳贝氏体钢的抗拉强度为825MPa、A11.1%(0.15%C、1.8%Mn、0.002%B)，满足汽车转向节拉杆的技术要求。

22、清华方鸿生发明的低碳贝氏体钢12Mn2VB、12Mn2VBS，主要做汽车前桥、转向臂、弯直臂等已在一汽、二汽、江陵汽车厂使用。 马氏体非调质钢具有良好的强韧性配合，用于制作汽车连轴节臂等零件，低碳马氏体非调质钢已逐渐应用于工业生产，如汽车水泵轴等。,非调质钢在汽车零部件上的应用,曲轴视频2,非调质钢在工程机械上的应用,如表2.示，系油缸零件的力学性能及使用年限表。如将活塞杆零件用试片做疲劳强度试验，其所测性能与调质钢所制零件比较，具有较好性能。 采用38MnVS6非调质钢结合控锻控冷工艺替代原调质工艺制造鄂式破碎机用偏心轴。该轴长1275mm, 最大直径为166 mm。经检测, 偏心轴的各项力

23、学性能指标均符合设计要求, 经装机后, 运行情况良好, 得到了用户单位的好评。,表2. 用非调质钢制造的油缸零件,非调质钢在工程机械上的应用,工程机械及工程车辆采用非调质钢制造油缸部件等。由于非调质钢取消了热处理工序，因而可提高产量，降低成本。 油缸类零部件，在掘土机、推土机、叉车等工作母机中是一非常关键零件，其强度不能削弱，且必须注意其强度品质的合理配置。图2.16为油缸系统各零件的相关位置图。从使用情况来看，其强度方面未出现任何问题。,1杆头；2缸头；3活塞杆；4缓冲垫；5活塞；6底座。 图2.16 油缸部件系统零件位置图,非调质钢在标准件上的应用,高强度螺栓的加工工艺路线为： 冶炼（采用

24、炉外精炼、连续铸造、成分窄范围管理）轧制（控轧控冷）拉拔冷成型去应力退火（180400）电镀去氢烘干。 化学成分特点：采用冷拉非调质钢制造，其碳含量多为低碳或基本上是低碳，以获得塑韧性的改善。为进一步提高强度，加入V、Nb、Ti等合金元素，以析出强化相来弥散强化，提高强度；也可加入Cr、Ni等来提高强度。 表2. 高强度螺栓用非调质钢的化学成分 表2. 高强度螺栓用非调质钢的化学成分 / ,为延长工具寿命、提高冷成型性，在非调质钢中一般采用低Si含量。,非调质钢在其他方面的应用,机床行业的应用 主要用于制造机床的丝杠（包括走刀丝杠和进刀丝杠）、光杠、主轴、花键轴、齿条和电机主轴等。其应用还在不

25、断地扩大。,非调质钢在其他方面的应用,拖拉机行业 已经得到较为广泛地应用。如拖拉机连杆、曲轴、轴类（包括倒档轴、支重轮轴、驱动轮轴、变速箱传动轴、犂刀传动轴、行星齿轮轴等）、柴油机齿轮、半轴、前轴、前后桥、前后轮轮毂、离合器、联轴节、万向节叉、转向节、平衡块、悬架、平衡臂、提升器、导向轮、驱动轮、张紧臂、盖类和杆类等。,柴油机針阀体,转向节,轴、套类机械零件 ,(4) 微合金非调质钢的研究发展方向,优良的成分设计； 复相组织开发； 工艺的变革； 采取措施确保非调质钢成分与性能控制精度、非调质钢产品质量保证与控制能力；加强非调质钢应用技术等的研究； 各方协调，加强推广应用。,综上所述，微合金非调

26、质钢(简称非调质钢)是一种高效节能钢，经热锻或热轧后其力学性能即达到中碳调质钢的水平，省去了淬火、高温回火工序，因而也省去了热处理设备，简化了生产工艺，降低了能耗，提高了材料利用率，改善了零件质量，降低了制造成本25%38%，具有良好的经济效益和社会效益。,二十年锻压路-记校友江秀花,江秀花系材料学院模具81级学生, 1985年毕业后分配到济南机床二厂,一干就是20多年。2004年底,在世界一级冲压商美国德纳公司的5000t重型多工位压力机招标会上,面对德国万家顿/穆勒/日本小松/韩国现代等实力强劲的竞争对手,最终拿下了订单. 现在,两台LS4B-2500型压力机联动组成的5000t重型多工位

27、压力机已经在美国运行近五年了. 她获得2008年1月8日国家科技奖励大会上的国家科技进步2等奖,及济南市科技进步最高奖。,2.6.1 阿波罗飞船登月所用天线奥秘所在 2.6.2 什么是形状记忆效应？ 2.6.3 形状记忆效应的实质 2.6.4 形状记忆合金材料的发展 2.6.5 形状记忆合金的应用,2.6 阿波罗飞船登月所用天线 与形状记忆材料,2.6.1 阿波罗飞船登月天线奥秘所在,那是1969年7月2 0日，正置东方夏令时间晚上10时 56分，此时全世界数以万计的科学家、数以亿计的观众正凝视着电视屏幕，关注着远在38万千米之外、乘坐“阿波罗”11号登月宇宙飞船的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上

28、踏下的第一个人类的脚印，聆听着这位勇士从嫦娥的家乡传回的富有哲理的声音：“对一个人来说，这仅仅是一小步；但对整个人类来说，这是跨了一大步.”.宇航员的形象和声音是如何从月球返回来的呢？细心的观众也许会发现，宇航员登月后，安装在飞船上的一小团天线，在阳光照射下迅速展开，伸展成半球状，开始了自己的工作。月、地之间的信息就是通过它传输过来的。不过，人们仍在纳闷：这种天线是宇航员发出指令，还是什么自动化仪器使它展开的呢？其实，都不是。,视频,2.6.1 阿波罗飞船登月天线奥秘所在,原来，奥秘就在于：这个半球形天线是用当时刚发明不久的形状记忆合金制成的。用极薄的形状记忆合金（Ni-Ti合金）先在正常情况

29、下按预定要求作成半球状天线（直径达数米），然后降低温度把它压成一团，装进登月宇宙飞船带上天去。到达月面后，在阳光照射下温度升高至一定温度，天线又“记忆”起自己的本来面貌，故而恢复成一半球状天线（如右图2.6.2所示）。 图2.6.2为用Ni-Ti形状记忆合金制成的通讯卫星天线图。Ms冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf冷却时转变终了温度，As升温时马氏体向原始相开始逆转变温度，Af马氏体向原始相逆转变完全的温度。,2.6.2 什么是形状记忆效应(SME)？,人们一直认为，只有人和某些动物才有“记忆”功能。可美国科学家在20世纪50年代偶然发现，某些金属合金也具有一种所谓“形状记忆”功能。

30、它们能在某一温度下成型为一种形状，而在另一温度下则又变回到原始形状。这种奇特的“形状记忆”功能可以保持相当长时间，并且重复千万次都准确无误。那么，什么是形状记忆效应(SME)呢？ 形状记忆效应SME是指具有一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定塑性变形后，加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前原来形状现象。即它能记忆母相的形状。 具有形状记忆效应的合金材料即称为形状记忆合金(SMA)。,2.6.2 什么是形状记忆效应(SME)？,为什么形状记忆合金不“忘记”自己“原形”呢？原来，这些合金都有一特殊转变温度。在转变温度之上，它具有一种组织结构；而在转变温度之下，它又具另一种组织结构。结构不同

31、、性能各异，不同温度下的组织结构促使大批原子协调运动，使合金具有记忆待性。美登月宇宙飞船上的自展天线，即用镍钛形状记忆合金做成的。这种合金在转变温度以上时，坚硬结实，强度很高，敲起来铿锵作响；而低于转变温度时，它却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加外力，把它弯曲折叠成一小球，使之在登月飞船上只占很小空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新张开，恢复成原大半球形状。,1. 形状记忆铆钉的工作过程,现以图2.6.3中的一个铆钉为实例，进一步说明形状记忆效应。这个铆钉是用形状记忆合金制作的，首先在较高的温度下（TMs）把铆

32、钉做成铆接以后的形状（a图），然后把它降温至Mf以下的温度，并在此温度下把铆钉的两脚扳直（产生形变，b图），然后顺利地插入铆钉孔（c图），最后把温度回升至工作温度（TAf），这时，铆钉会自动地恢复到第一种形状，即完成铆接的程序（d图）。显然这个铆钉可适用于手和工具无法直接去操作的场合。,a成型（TMs）； b扳直两脚TMf）； c.插入（TAs）； d.加热（TAf）。 图2.6.3 形状记忆铆钉的工作过程 ,（a） （b） （c） （d）,视频,2. 形状记忆效应的类型,形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。图2.6.4表示3种不同类型形状记忆效应

33、的对照。 所谓单程形状记忆效应就是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。 若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称为双程形状记忆效应或可逆兴致记忆效应。 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称为全程形状记忆效应。它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ni 的Ti-Ni合金中出现。,图2.6.4 三种类型形状记忆效应示意图,2.6.3 形状记忆效应的实质,形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。热弹性马氏体一旦产生可以随着温度降

34、低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小，由于马氏体的体积一般比原始状态要膨胀一些，而且马氏体相变伴随着晶体中规则的切变，因此热弹性马氏体相变随之伴有形状的变化。其晶体结构的变化如图2.6.5所示。 某些具有热弹性马氏体相变的材料，当温度低于马氏体相变的Mf 点时，变成在低温下稳定的马氏体相；这些马氏体相由晶体结构相同、结晶方向不同的孪晶体构成，这些孪晶界面受很小力即可移动。,图2.6.5 形状记忆过程中晶体结构变化的示意图,2.6.3 形状记忆效应的实质,在外力作用下进行一定程度的变形后，孪晶结构生长成处于外力择

35、优位向的同系晶体，而产生高达百分之几、甚至20%的剪切变形量。 若随后将这种变形马氏体加热至超过马氏体逆转变成奥氏体时的相变终了温度Af 时，马氏体相反过来又变为母相。这种形状变化，也可发生在马氏体相变温度以上。经过变形诱发的择优位向马氏体晶体相能量不稳定，当外力除去，便可反过来变成奥氏体，而恢复原状。,图2.6.5 形状记忆过程中晶体结构变化的示意图,2.6.4 形状记忆合金材料与开发过程,早在1951年美国的T.A.Read等在一次实验中偶然发现了金-镉（Au-Cd）合金具有形状记忆特性，当时并未引起重视。1953年又在铟-铊（In-Tl）合金发现这类效应。 直到1963年美国海军装备实验

36、室的科学家发现镍-钛合金具有形状记忆效应后，才奠定了记忆合金的重要地位。当时，该实验室科学家正研制一种高强度耐腐蚀合金，成分是含镍55%、含钛45%，试验这种合金丝时，他们曾将这种合金绕成一螺旋线圈，并加热到150，冷却后又把线圈完全拉直。后来，一个偶然机会，他们把拉直的合金丝再次加热时，出现一个奇迹：在温度升高到95时，拉直的镍钛合金丝竟自动卷曲成原螺旋线圈形状。当时研究人员几乎不相信自己眼睛。于是又反复试验，把合金丝加热并变成各种复杂形状，冷却并拉直，然后提高温度并观察合金表现。在这种反复实验中，合金每次都表现了非凡的“记忆能力”，如图2.6.6中间一组图所示。,图2.6.6 不同合金的变

37、形行为 ,2.6.4 形状记忆合金材料与开发过程,图2.6.6 不同合金的变形行为,从此掀起了形状记忆合金研究的热潮，并产生了多种实用化的新思想，新的形状记忆合金应运而生。表2.6.1给出了部分形状记忆合金的组成以及热弹性马氏体的转变温度。,表2.6.1 具有形状记忆的合金系,2.6.4 形状记忆合金材料与开发过程,SMA材料目前已有20余种。大致可分为两类：一类是以过渡族金属为基合金，另一是贵金属的相合金。但最引人注目的是Ni-Ti基合金、Cu-Zn-Al、Fe-Mn-Si合金和Cu-Al-Ni合金等。 Ni-Ti基合金 其原子比为11，具有优异的SME，高的耐热、耐蚀性，高的强度，及其它材

38、料无可比拟的耐热疲劳性与良好的生物相容性。但存在原材料价格昂贵，制造工艺困难，切削加工性不良等不足。近年来发展了一系列性能得到提高的材料，在Ni-Ti合金中加入其它元素，开发了Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Nb、Ni-Ti-Cr、Ni-Ti-Fe等系列合金。需特别指出的是研究人员在Ni-Ti合金中添加微量的Fe或Cr，可使记忆合金的转变温度降到-100，适合低温下工作。, Cu基合金 价格便宜，原料来源充足，生产过程简单，良好的形状记忆效应，电阻率小，导热性好，加工成形性能好。但长期或反复使用时，形状恢复率会减小，是尚需探索解决的问题。开发的Cu-Zn-Al和Cu-Ni-Al合金可在很宽的-1

39、00300范围内调节。, 铁基合金 具有强度高，塑性好，价格便宜等优点，正逐渐受到人们的重视并获得开发。如Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Ni-Ti、Fe-Mn-Si、Fe-Mn-Si-Cr等。从价格上看，铁系形状记忆合金比Ni-Ti系和Cu系低得多，易于加工，强度高，刚性好，所以是很有竞争力的新合金系。,2.6.5 形状记忆合金的应用,从外观看，形状记忆合金不但能受热膨胀、伸长，也可受热收缩和弯曲，这主要取决于其原始形状。利用此特性，形状记忆合金在航天、机械、电子仪器和医疗器械上有着广泛用途。 1. 形状记忆热发动机 记忆合金在受热恢复原来形状时，还会产生很大的力量，可以利用这个力量来做

40、功。用它制造的发动机不要汽缸和活塞，而是使记忆合金在反复受热、冷却过程中，一会儿变形一会儿又恢复原状，利用所产生的这股力量便可作功。因此，用形状记忆合金制造新型热发动机则是有着诱人的前景。这种热机是利用黄铜的形状记忆特性，它在形变时能够产生足够的力来做功。这种作功的本领就意味着形状记忆合金有可能把温差转变成一种新型能源，第一台形状记忆热发动机，在美国于1968年取得了专利权，目前，这种热发动机又有了新的发展。这种发动机可以利用太阳能或其他热源改变其叶片形状而产生旋转力矩，使曲轴转动而做功。英国已有厂家制造出了黄铜热发电机。尽管这种装置的热能利用率在理论上来说比较低，只有4%5%，但是对人们仍有很大吸引力，因为它只需几度的温差就可以工作。有人建议利用这种装置来回收和利用发电厂及其他工业烟囱排出的废热。,如图2.6.7所示，系1973年美国试制成第一台利用海水温差发电热机的结构示意图。它是利用高温、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。其装置是一个水平放置的轮子，轮辐是偏心结构，每个轮辐上挂有用Ti-Ni合金制成的U形环，轮子下的水槽制成两个半圆，分别装入冷、热水。当U型环进入热水槽时，就突然伸直，产生弹力。这种弹力有一部分沿轮子的切线作用，推动轮子旋转。当轮辐转