形狀記憶合金的發(fā)展和應(yīng)用

1、形狀記憶合金的發(fā)展和應(yīng)用一.引言形狀記憶合金(Shape Memory Al坷,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect, SME)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料，是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料，因其功能獨特，可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目，并獲得了廣泛應(yīng)用。二.形狀記憶合金的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀在金屬中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)最早可追溯到20世紀30年代。1938年，美國的Grenin

2、gerh和Moora-than在Cu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)的Kurdiumo、對這種現(xiàn)象進行了研究。1951年，Chang和Read在Au-47. 5 at 0 o Cd合金中用光學顯微鏡觀察到馬氏體界面隨溫度的變化而發(fā)生遷動。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart在In-Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直到1963年，美國海軍武器實驗室的Buehler等人發(fā)現(xiàn)等原子比的Ti Ni合金具有優(yōu)良的形狀記憶功能，并成功研制出具有實用價值的形狀記憶合金“Ni-nol”

3、以后，才引起了人們的廣泛興趣，對形狀記憶合金的研究從此進入了一個新的階段。二、形狀記憶合金的特性形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應(yīng)的材料。這種材料在一定的狀態(tài)及條件下i經(jīng)變形，但在加熱至超過某一溫度，或者卸除載荷后具有回復(fù)其原始形狀的能力。圖I示意地說明形狀記憶效應(yīng)(以及超彈性效應(yīng))的特點。一般合金的a一。曲線如圖la所示。在彈性范圍內(nèi)時，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，當應(yīng)力卸除后變形消失。但當應(yīng)力超過彈性限后，將產(chǎn)生塑性變形，在應(yīng)力卸除后，材料的變形不能完全消除而有殘余變形存在，即材料不能回復(fù)原狀?？墒牵瑢τ谛螤钣洃浐辖饎t情況便不相同。當在一定的狀態(tài)下施加應(yīng)力產(chǎn)生百分之幾到十幾的大變形量之后，若將載

4、荷卸除并加熱至一定溫度以上時，則變形可以完全消除，材料回復(fù)原狀。這種現(xiàn)象叫形狀記憶效應(yīng)(圖1b )。如果加載與變形是在超過某一特定的溫度下進行時，則產(chǎn)生的大變形量無需加熱只在卸載后便能自然回復(fù)。這種現(xiàn)象叫超彈性效應(yīng)(圖1c ) o形狀記憶合金一般兼具有這兩種特性。不論形狀記憶效應(yīng)還是超彈性效應(yīng)，它們的機制是相同的，即都是以馬氏體發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變形成其母相(奧氏體)而使形狀得到恢復(fù)為基礎(chǔ)的。這種現(xiàn)象的發(fā)生同溫度、應(yīng)力有密切的關(guān)系。圖2定性地表明這一關(guān)系。在圖中，AB線乃是Ms點與應(yīng)力(誘發(fā)馬氏體形成的臨界應(yīng)力)的關(guān)系。CD線是在合金中發(fā)生滑移變形的臨界應(yīng)力。由此圖可以看出，在高溫區(qū)出現(xiàn)的是超彈性效應(yīng)

5、;在低溫區(qū)出現(xiàn)的是形狀記憶效應(yīng);中間部分是兩種效應(yīng)的重合地帶。形狀記憶現(xiàn)象早在研究Au-Cd合金的相變時就已發(fā)現(xiàn)，并確認為是熱彈性馬氏體可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。但直到1960年，美國海軍兵器實驗室制成NiTi記憶合金后，才開拓了形狀記憶合金在工業(yè)技術(shù)上應(yīng)用的新紀元。從此之后，記憶合金的研究和應(yīng)用獲得了大幅度的進展。在機械、計算機、機器人、能源等工業(yè)部門以及在醫(yī)療方面都獲得了多方面的應(yīng)用，取得了滿意的效果。三、形狀記憶合金的發(fā)展最近的研究表明，這種合金不僅發(fā)生M相變，而且還發(fā)生R ( Rhomb,菱形結(jié)構(gòu))相變。這種R相變所產(chǎn)生的記憶效應(yīng)同M相變所產(chǎn)生的記憶效應(yīng)有所不同(表3)。由表3可以看出，M相變的

6、記憶回復(fù)量及回復(fù)應(yīng)力雖大，但溫度滯后量也大。而R相變的記憶回復(fù)量及回復(fù)力雖小，但溫度滯后量也小。相應(yīng)地后者的疲勞壽命高，這對于作為執(zhí)行機構(gòu)的記憶材料是非常關(guān)鍵的。 記憶合金的一個重要特征是其回復(fù)溫度(Af溫度)0 NiTi合金的回復(fù)溫度約為30 1000G圖1 )。為了獲得具有更低回復(fù)溫度的合金，在NiTi合金中加入Co，可使回復(fù)溫度降至一lOC，從而使NiTi系記憶合金的使用范圍可以擴展至更低的溫區(qū)。 為了降低NiTi合金的價格，改善其加工性和記憶特性，還開發(fā)了Ni-Ti-V及Ni-Ti-Cu等合金。 2.銅基形狀記憶合金與BViTi合金相比具有很多優(yōu)點 其一是價格便宜(只及后者的1/5 1

7、/TO )。其次是制造工藝簡便熱加工性優(yōu)良，其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性均較N if i合金為高，而且具有相變溫度 M5)的可調(diào)范圍寬(NiTi合金為一5 0 I 00 0C,而Cu基合金則為一100 1000C )的優(yōu)點。但銅基合金(多晶態(tài))的塑性不足，容易發(fā)生脆斷，疲勞壽命也低。其主要原因是由于銅基合金晶體的彈性各向異性大。以Cu-A1-Ni合金為例，其彈性各向異性A=2Cl/(C,a-C孔)=13(式中，Cm, Cia及C石e為單晶體的彈性常數(shù))，而N iTi合金晶體的A=23, A值大，則晶體取向不同時的彈性應(yīng)變差異就大。為了在晶界上保持連續(xù)性，在該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象就特別明顯，如果晶粒也大時，則很容

8、易產(chǎn)生沿晶界的破壞。為此，要采取各種措施(粉末冶金法、急冷凝固法以及添加微量元素等)使銅合金的晶粒細化(達到幾微米至十幾或兒十微米)。經(jīng)過細化晶粒的銅合金，其斷裂應(yīng)力、疲勞壽命都有很大的改善。其次，為了改善銅基記憶合金在較高溫度下使用的性能，在Cu-A-Ni的基礎(chǔ)上研制了Cu-12A1-5Ni-2Mn-1Ti的新型銅基記憶合金(其中Ti有細化晶粒作用)，它可在1000C以上的高溫穩(wěn)定地長期地工作。2.鐵基形狀記憶合金 最近日本研制成功了Fe基形狀記憶合金(Fe-M n-Si合金)。一般，鐵基合金的馬氏休相變縣非熱彈性的。非可逆的原子位移不可能產(chǎn)生明顯的記憶效應(yīng)。但在Fe基合會中的Y(fcc)-

9、sE(Yacp)馬l羌體相變的晶格對應(yīng)性好，不伴隨大的體積變化。相變時可能產(chǎn)生可逆性的原子位移，一因而是具有記Cr.效應(yīng)釣馬氏體相變。 但這種馬氏體相變不是在冷卻時發(fā)生，而是在M。點以上施加應(yīng)力下發(fā)生的，即應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變。在施加應(yīng)力時使丫一。，加熱時發(fā)生。丫相變，回復(fù)原狀。這就是鐵基合金的記憶機制。 Fe-IVI n-Si合金中的Mn在28 32腸之間，Si在6腸左右。這種合金的記憶性是單向性的，形狀回復(fù)力也比NiTi合金為小(約為29.IvIFa，而NiTi合金約為588MPa )，形狀回復(fù)溫度也高(125以上)。但這種合金的制造容易，成本比NiTi合金為低，在高溫下可以使用。、所以作為

10、形狀記憶結(jié)構(gòu)材料是很有發(fā)展前途的。 總之，形狀記憶合金的性能在不斷完善，合金的品種在不斷增加，這類合金在新型工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用潛力很大。在我國，形狀記憶合金的應(yīng)用還很有限，今后應(yīng)引起人們的重視。四、形狀記憶合金的應(yīng)用 迄今發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)的合金系已達二十余種，但其中已得到實際應(yīng)用的還僅局限于Ti-Ni和C Zn Al合金系(C Al Ni及FeVIn-Si系記憶合金也在開發(fā)應(yīng)用中)。目前，形狀記憶合金在電子、機械、能源、宇航、土木、汽車、醫(yī)療及日常生活等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用7, A，表1列舉了形狀記憶合金的部分應(yīng)用實例，下面擇其典型應(yīng)用加以概述。 參考文獻1E . Hornbogen, Me

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