記憶合金論文

1、河 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 機 電 工 程 學(xué) 院非金屬材料課程論文 題目：形狀記憶合金姓 名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 論文方向： 任課教師： 論文：形狀記憶合金摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā) 現(xiàn)以及發(fā)展歷史, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景【關(guān)鍵詞】：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應(yīng)、應(yīng)用前景。正文：記憶金屬又叫形狀記憶合金。上個世紀(jì)70年代，世界材料科學(xué)中出現(xiàn)了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進盛著熱水的玻璃缸內(nèi)，金屬條向前沖去；將它放入冷水里，金屬條則恢復(fù)了原狀。在盛著涼

2、水的玻璃缸里，拉長一個彈簧，把彈簧放入熱水中時，彈簧又自動的收攏了。涼水中彈簧恢復(fù)了它的原狀，而在熱水中，則會收縮，彈簧可以無限次數(shù)的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結(jié)構(gòu)有兩種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對它重新加熱，它會記起它原來的形狀，而變回去。這種材料就叫做記憶金屬（memory metal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高溫合金，經(jīng)過高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下，即使用很大力氣把它強行拉直，但只要把它加熱到一定的“變態(tài)溫度”時，這根合金仿佛記起了什么似的，立

3、即恢復(fù)到它原來的螺旋形態(tài)。這種現(xiàn)象我們對應(yīng)的稱之為“形狀記憶” 形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因為變形過程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據(jù)不同的熱力載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能。形狀記憶效應(yīng)（shape memory effect）我們又可以分為兩種：單程記憶效應(yīng)和雙程記憶效應(yīng)以及全程記憶效應(yīng)。其中：單程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)。某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。全程

4、記憶效應(yīng)。加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。目前已經(jīng)應(yīng)用很成熟的合金有Ti-NI基形記憶合金 銅基.鐵基形狀記憶合金，另外發(fā)現(xiàn)較早的形狀記憶合金為Au-Cd.In-Ti等合金系，此外還有發(fā)現(xiàn)的一些合金Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn等。形狀合金記憶機理：形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0

5、稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。在馬氏體中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。馬氏體相變與形狀記憶：馬氏體相變的過程的晶體結(jié)構(gòu)變化與形狀記憶有一個變化的過程，試樣從母相淬火至低溫得到孿生馬氏體，在外力作用下，馬氏體的變形是通過有利取向長大 不利取向縮小而實現(xiàn)的，最后得到變形馬氏體。變形馬氏體加熱到一定程度以上變形為母相，恢復(fù)母相的形狀。我們就以應(yīng)用最廣泛的鈦鎳合金的加工制造過程加以分析：Ti-Ni合金的制備  

6、;1鑄造  Ti-Ni合金是高溫延展性良好的材料。當(dāng)溫度超過400后拉伸強度下降，與此相反，延伸率迅速增加。可見如果溫度范圍定得合理Ti-Ni合金無論錘鍛、壓力機上鍛造或徑向鍛造都是比較容易進行的。實踐表明鍛造溫度不宜高于900否則合金表面將劇烈氧化而產(chǎn)生Ti-NiTi4Nb2低熔點混合物相。過是間隙氧污染物質(zhì)，具有脆化合金的作用。另一方面溫度分布不宜低于750，否則材料的變形抗力增大缺口敏感性突出，常易造成撕裂性質(zhì)的破壞使廢品率增加。因此，鍛造溫度范圍為750900。鑄錠鍛造前需經(jīng)850、l2h均勻退火然后機加工去表面氧化皮和冒口，再鍛成棒料。2熱擠壓 從Ti-

7、Ni的高溫拉伸性能來看Ti-Ni合金適宜擠壓。但不能進行冷擠壓。Rozner在0.7Tm(Tm為金屬的熔點)溫度成功的進行了Ti-Ni的熱擠壓。鑄錠經(jīng)機加工后用碳鋼包套然后在900擠壓擠壓比為4：116：1擠壓后坯料在600退火1h然后爐冷 3軋制和拉拔 棒料軋制一般可在普通多機座連續(xù)軋機上進行一孔型設(shè)計按常規(guī)由平橢圓、橢圓和圓組成。起軋溫度820士20。根據(jù)成品的尺寸要求應(yīng)旨理地將整個軋制過程分解為一定數(shù)量的道次。軋制道次如下：43mm一25ram 7道次25mm一15ram 5道次25mm一85ram 9道次。軋制板材的設(shè)備最好帶有預(yù)應(yīng)力裝

8、置。板材軋制溫度應(yīng)略高于棒材，但不高于900，否則氧化皮增加影響材質(zhì)。坯料厚度從30mm軋至2832mm采用9道次。軋制帶材的方法不同于棒材和板材最好溫軋。軋制時前后應(yīng)有一定的張力。用通電的方法使材料保持溫度(500600)以免出現(xiàn)加工硬化每一遭次壓下量應(yīng)控制在0.203mm左右。Ti-Ni合金在70以上存在異常大的速度加工硬化。冷加工必須正確掌握變形率和中間退火。冷軋的道次變形率應(yīng)小于2，冷拔為10%，每道的中間退火溫度宜采用650700。經(jīng)研究表明：清除Ti-Ni合金加工硬化以650士20為佳。Ti-Ni合金絲的冷拔工藝為：中間退火溫度為750，退火時間15min，潤滑劑用肥皂拔絲速度小于

9、6m/min第一道次冷拔量1520%其后的道次冷拔量為10%左右。2次退火間總冷拔量為4045。 4冷加工 Ti-Ni合金的布氏硬度雖然只有90上下，但切削性能很差特別是鉆孔時，如用高速鋼刀具劇壽命更短，所以一般使用硬質(zhì)合金(如碳化鎢)刀具。切削速度應(yīng)適中過快或過慢都不好。磨削加工以采用碳化硅系列的砂輪為佳， 5粉末成形  Ti-Ni記憶合金的機加工性能較差，近年來人們開始研究采用免除或減步加工工序的粉末情金方法和精鑄方法來制造記憶合金零件。目前大致有2種粉末成形的方法： (1)用預(yù)制的Ni一Ti合金粉末經(jīng)過2次熱等靜壓擴散燒結(jié)主要用

10、于制備拉絲的優(yōu)質(zhì)毛坯。 (2) 直接用Ni和Ti粉作原料經(jīng)過一次燒結(jié)和熱等靜壓處理。 試樣制備工藝是：將350目Ti粉和還原的羰基Ni粉50(原子數(shù)分?jǐn)?shù))的比例混合，置于石墨模中在熱壓機上燒結(jié)。再經(jīng)過包套軋制和高壓等靜壓處理后進行均勻化處理。試樣密度是理想材料的9597但回復(fù)率只有熔煉材料的70%左右。目前，Ti-Ni合金的粉末成形還存在一些問題。由于粉末中有雜質(zhì)和氧含量加上制備過程中由于石墨模引起的碳和其它元素侵入等問題，都使粉末成形值得更深入研究。應(yīng)用前景：（1）工程應(yīng)用 形狀記憶材料在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、

11、密封墊等。另外，也可用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。   60年代初Ti-Ni合金首次被用于海軍飛機液壓系統(tǒng)的接頭，并取得了成功。   形狀記憶合金做緊固件、連接件較其他材料有許多優(yōu)勢。（1）夾緊力大，接觸密封卡了、可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；（2）適于不焊接的接頭;(3）金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；（4）安裝時不需要熟練的技術(shù)。把形狀記憶合金制成的彈簧與普通安裝在一起可以制成自控元件。 1973年美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用形狀記憶合金在高溫，低溫時發(fā)生的相變，產(chǎn)生

12、形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力，實現(xiàn)機械能和熱能的相互轉(zhuǎn)換。 2）醫(yī)學(xué)應(yīng)用 醫(yī)學(xué)上使用形狀記憶合金主要是Ti-Ni合金，這種材料對生物體有較好的相容性，可以埋入人體作為移植材料。在生物體內(nèi)部作固定折斷骨架的銷、進行內(nèi)固定接骨的接骨板，由于體內(nèi)溫度是Ti-Ni合金發(fā)生相變，形狀改變，不但沒能將兩段骨固定住，而且能在相變過程中產(chǎn)生壓力，迫使斷骨很快愈合。另外，假肢的連接、矯正脊柱彎曲的矯正板，都是利用形狀記憶合金治療的實例。 在內(nèi)科方面，可將細(xì)的Ti-Ni絲插入血管，由于體溫使其恢復(fù)到母相的網(wǎng)狀，阻止95%的凝血塊不流向心臟。用記憶合金制造的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合

13、，可以模仿心室收縮運動，制造人工心臟。 （3）智能應(yīng)用 形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動雙重功能為一體的新形材料，因而可以廣泛應(yīng)用于各種自調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機械。形狀記憶薄膜和細(xì)絲可能成為未來機械手和機器人的理想材料，它們除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響，可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實驗室等高科技領(lǐng)域大顯身手。 Ti-Ni合金前景 近年來在Ti-Ni合金基礎(chǔ)上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co、Zr、Pb等元素，開發(fā)了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr等新型Ti-Ni合金。上述

14、合金元素對Ti-Ni合金的Ms點有明顯影響，也使As溫度降低，即使偽彈性向低溫發(fā)展。Ti-Ni系合金是最具有前景的形狀記憶材料，性能優(yōu)良，可靠性好，并且與人體有生物相容性；為適應(yīng)在微機械及各種復(fù)雜環(huán)境中的使用要求，Ti-Ni形狀記憶合金級后的發(fā)展方向是尺寸的超小化、超細(xì)化、超薄化；相變的高溫化；熱滯的寬化與窄化；功能的復(fù)合智化以及組織性能的穩(wěn)定化。結(jié)論：記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。參考文獻1殷景華 王雅珍 鞠剛.功能材料概論.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2009.7