Ni-Ti基形狀記憶合金的研究與應(yīng)用

1、名氣氣，吧“一綜述基形狀記憶合金的研究與應(yīng)用秦桂紅，嚴(yán)彪，殷俊林（同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、上海市金屬功能材料開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海）摘要：合金是一種性能優(yōu)良的形狀記憶材料。本文主要介紹了它的基本特性、相圖和馬氏體晶體結(jié)構(gòu)，并簡單介紹了和兩種具有代表性的基合金，以及基合金在工程和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：基形狀記憶合金；相圖；馬氏體晶體結(jié)構(gòu)；應(yīng)用中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（），（，舀，；，）：，：；前言點(diǎn)可分別達(dá)和¨?，F(xiàn)在形狀記憶合金是年代發(fā)展起來的一已經(jīng)開發(fā)出來的基形狀記憶合金有普通型的種新型功能材料，它也是所有記億合金中記憶性能，；多滯后型最好、最穩(wěn)定、發(fā)展最早、研究最全

2、面的合金，即使是的；高溫型的，多晶合金也具有的超彈性，而回復(fù)應(yīng)力可達(dá)。本文主要介紹基合金的基本特性、相圖，。此外其杰出的耐腐蝕性能使得合并說明第三組元加入對和三元金是唯一能在人體內(nèi)應(yīng)用的記憶合金。形狀合金馬氏體相變的影響。最后簡單介紹了合記憶合金的雙向記憶效應(yīng)也很好，不但能回復(fù)母相金在工程和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。的形狀，而且能夠記憶馬氏體的形狀?，F(xiàn)在形狀記憶合金的基本特性形狀記憶合金的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：合金的形狀記憶效應(yīng)與馬氏體的可逆相變有密（）相變該相變的溫度滯后小，不超過，因切的關(guān)系。鋼鐵中的馬氏體是一種無擴(kuò)散相變的產(chǎn)此可用于某些精確熱敏元件。該轉(zhuǎn)變的單向和雙向物，由于碳在一中的擴(kuò)散速度

3、大，加熱時馬氏體首記憶效應(yīng)都很好，其可逆應(yīng)變大概在。（）全先發(fā)生分解，因而馬氏體的相變一般是不可逆的，即方位形狀記憶效應(yīng)口。（）寬滯后合金的馬氏體加熱時不會再逆向變成奧氏體。但是鋼鐵以研究即通過加入的來寬化滯后。（）高外的多數(shù)合金馬氏體相變是可逆的，即冷卻時由母相溫記憶合金的研究主要是通過加入的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而加熱時馬氏體又逆向轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?，和來提高馬氏體逆轉(zhuǎn)變開始溫度點(diǎn)，其形狀記憶合金的本質(zhì)是合金中熱彈性馬氏體相變。收稿日期：作者簡介：秦桂紅（一），女，河南人，碩士研究生，師從嚴(yán)彪教授，從事稀土形狀記憶合金材料研究和制備。一般金屬的變形是通過滑移產(chǎn)生永久變形，而形狀記憶合金的變形則是由馬氏體轉(zhuǎn)

4、變或馬氏體內(nèi)組織再取向來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)形狀記憶合金從高溫母相冷卻至低于馬氏體相變的轉(zhuǎn)變開始溫度點(diǎn)產(chǎn)生馬氏度（。點(diǎn)）向馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著相變的發(fā)生，試樣開始伸長，當(dāng)達(dá)到馬氏體相變完成溫度（，點(diǎn)）的同時，試樣也停止伸長，這種因相變導(dǎo)致試樣發(fā)生的形變稱為相變形變。反之加熱試樣，從馬氏體相向母相轉(zhuǎn)變的開始溫度（。點(diǎn)），到全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶嗟慕K止溫度（，點(diǎn)），伴隨這一逆向馬氏體相變發(fā)生的同時，試樣回復(fù)到原狀。體相變，這種馬氏體比母相軟，成為熱彈性馬氏體。圖顯示了相變特性及相變循環(huán)中的關(guān)鍵點(diǎn)，在一定的載荷下冷卻試樣，使試樣從馬氏體相變開始溫溫度，圖相變溫度曲線應(yīng)變圖應(yīng)舡應(yīng)變曲線隨著相變的進(jìn)行合金的機(jī)械特性有較大的變

5、化，圖給出了合金在拉力作用下的應(yīng)材料溫度比其相變溫度稍高時，應(yīng)力可以誘發(fā)馬氏體相變，在恒定的應(yīng)力作用下，應(yīng)變不斷增大，如曲線。解除負(fù)荷，減少應(yīng)力，馬氏體轉(zhuǎn)化為奧氏體，形狀記憶發(fā)生了，如曲線。這種形狀記憶不是通過加熱而是通過應(yīng)力的減小，使材料具有完全彈性，這種彈性稱為偽彈性或超彈性。，舡應(yīng)變曲線。馬氏體在較低的應(yīng)力下就能產(chǎn)生塑性變形，而高溫奧氏體母體具有很高的屈服應(yīng)力。馬氏體曲線表明，去除應(yīng)力的馬氏體經(jīng)加熱轉(zhuǎn)化為奧氏體，回復(fù)到它所“記憶”的形狀。而奧氏體經(jīng)形變后加熱卻沒有類似的現(xiàn)象。從圖（）中看到，當(dāng)記憶合金的相圖圖合金相圖相圖是理解一切相變（包括馬氏體相變）的基礎(chǔ)，也是控制合金組織和性能的重要

6、依據(jù)。圖所示的合金相圖是最近等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。人們感興趣的地方是相圖中近等原子比的地方，即處在：相和。相之間的區(qū)域，在這個地方單一的相（有序相）可以轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡钡鸟R氏體相。合金相圖的這個區(qū)域多年來一直是有爭議的，主要問題在于在。時是否存在共晶反應(yīng)，即，以及富代時，窄滯后（一）的相變要比上述馬氏體相變的合金經(jīng)合適的熱處理析出的，。相和先發(fā)生¨。二元合金經(jīng)過合適的熱處理發(fā)：。相是什么樣的相。后來經(jīng)研究證實(shí)該共晶反現(xiàn)同樣的相變¨。這種相變之所以被稱作相應(yīng)是不存在的，等人¨對此做了詳細(xì)論述，并變是因?yàn)樵诎l(fā)生相變的時候點(diǎn)陣是從立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱庾C實(shí)。相和：，相在富的

7、合金時效形結(jié)構(gòu)，立方點(diǎn)陣沿延伸可以得到菱形時是亞穩(wěn)態(tài)的相，當(dāng)富的合金時效時按照點(diǎn)陣（圖）。這種轉(zhuǎn)變在驅(qū)動器的應(yīng)用上是很有下面的順序析出：。一：一，直到最終出用的，因?yàn)檎缜懊嫣岬降乃泻苄〉臏囟葴蟆，F(xiàn)穩(wěn)定的，相，因此建立了圖所示的相圖。后這種結(jié)構(gòu)也是一直有爭議的，但最近人們應(yīng)用幾種來等人又對該相圖稍做修改，即把。處不同的實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合的辦法（譬如電子衍射，射的虛線改到了處?！镜热苏J(rèn)為當(dāng)合金線粉末法等）測得了相的結(jié)構(gòu)，屬于空間群，溫度冷卻至。發(fā)生，的轉(zhuǎn)變。運(yùn)用這個沒有對稱中心，其晶格參數(shù)和原子參數(shù)可參看文相圖對合金進(jìn)行合適的熱處理可以改善合金的記憶獻(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)跟合金¨剛中的：馬氏體性

8、能。對母相進(jìn)行淬火析出的，。相對提高合金十分類似。具體發(fā)展過程可參看文獻(xiàn)，。的記憶性能是有用的，因?yàn)楫?dāng)對母相在較低溫度（譬如。）歸叫下時效時，。相是以薄片狀析出的。糾和¨糾的晶體結(jié)構(gòu)也是可以確定的。由圖可以看出，合金時效時不可能硬化沉積出：相，因?yàn)橄嗫拷灰粋?cè)的邊界是垂直的，溶解度幾乎不隨溫度的變化而變化?；辖瘃R氏體的晶體結(jié)構(gòu)合金的母相為有序結(jié)構(gòu)。二元合金的馬氏體晶體結(jié)構(gòu)自從年發(fā)現(xiàn)以來一直是有爭議的，其歷史發(fā)展可參考文獻(xiàn)【。然而，人圖和相變有關(guān)的晶格轉(zhuǎn)變（）型母相（）相切簪們最終應(yīng)用單晶射線衍射法和最乘法測定（）（）了合金的馬氏體晶體結(jié)構(gòu)。合金的馬氏體為畸變單斜結(jié)構(gòu)，記為，屬于，（

9、，等）三元合金空間群。其晶格參數(shù)和原子參數(shù)可參看文獻(xiàn)¨，為了改變合金的相變溫度，物理或力學(xué)其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。值得注意的是這種單斜性能，人們研制出了各種各樣的三元合金。在這些馬氏體和大多數(shù)相合金的馬氏體結(jié)構(gòu)十分不同，三元合金中，一（一）和合金是相合金的馬氏體結(jié)構(gòu)是周期性緊密堆積的堆垛有最重要的。序結(jié)構(gòu)，盡管人們通常把合金劃分為相合如圖和圖所示，的添加對合金產(chǎn)生很多金系，但目前作者認(rèn)為這樣是不合適的，因?yàn)樵谟腥さ挠绊?。首先改變的含量對合金的相變溫合金里電子與原子之比（）遠(yuǎn)不是相合金度沒有明顯影響。其次，相變改變類型隨含量的不同而不同：，：所要求的。一一。：。的轉(zhuǎn)變溫度滯后要比，的窄，

10、隨著含量的增加相變滯后明顯變窄，因此合金對溫度場的響應(yīng)比較迅速，可以用其制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。雖然合金的相變具有最小的相變滯后，但其形狀記憶應(yīng)變較?。ㄒ唬６辖饏s具有較大的形狀記憶應(yīng)變，如圖圖合金的單斜馬氏體所示，合金應(yīng)用的溫度范圍要比相變的應(yīng)用范圍大。當(dāng)合金中一的被或取明顯升高。其原理機(jī)制可參看文獻(xiàn)扎為。合金的應(yīng)用系形狀記憶合金因?yàn)榫哂蟹€(wěn)定的形狀記憶和超彈性功能，同時還具有優(yōu)良的加工性、強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性和生物相容性等性能，在工業(yè)自動化、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、儀器儀表及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。留；糕贈在工程中的應(yīng)用連接緊固件利用形狀記憶合金優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)，可制成各

11、種連接緊固件，如管接頭，緊固圈、連接套管和緊固鉚釘?shù)?。最初管接頭所采用的合金為和合金，其相變滯后較窄，安裝前必須保存在液氮中，實(shí)際應(yīng)用很不方便。最近新開發(fā)出的寬滯后形狀記憶合金可以克服上述含量缺點(diǎn)，工程應(yīng)用十分方便，受到工程界的廣泛重視，應(yīng)用前景十分廣闊。美國公司研制生產(chǎn)出了寬滯后形狀記憶合金同軸電纜屏蔽網(wǎng)和接頭的緊固圈舊川。美國利用合金制造海軍一戰(zhàn)斗機(jī)上液壓系統(tǒng)的管接頭，管接頭在液氮中進(jìn)行擴(kuò)徑，在室溫下貯存而不發(fā)生形狀回復(fù)。安裝時，只需將管接頭套在被連接管上，稍加熱管接頭實(shí)現(xiàn)形狀回復(fù)達(dá)到緊密配合目的。美國一戰(zhàn)斗機(jī)上完成萬例連接，無失效報(bào)道。在我國，飛機(jī)上應(yīng)用合金的有伊爾、伊爾型機(jī)，使用三元形

12、狀記憶合金開尾鉚釘連接中央翼和貨艙門加強(qiáng)框。驅(qū)動器圖的含量對（）舍金相變溫度的影響一（一）由于合金的相變具有一些優(yōu)良特性，使它可以用作自適應(yīng)復(fù)合材料驅(qū)動絲，將預(yù)應(yīng)變合金絲嵌入主動復(fù)合材料中，可以大大改善主動復(fù)合材料的功能。比如使材料中的應(yīng)力改變振動頻率。相變對自適應(yīng)復(fù)合材料（簡稱一復(fù)合材料）溫廈溫度的開關(guān)控制特別有效，有利于界面強(qiáng)度的持久性，簡化了一復(fù)合材料的固化工藝。同時，與相變有關(guān)的特性呈現(xiàn)良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)次數(shù)大于×時，應(yīng)變和相變溫度沒有明顯的變化口引。圖（）合金在同一栽荷（）下的一曲線】（）（）（）一（一】如上所述，記憶合金用于制作敏感元器件時，就需要有較窄的相變滯后。然

13、而，當(dāng)制作緊固件時就需要較寬的相變滯后，這是因?yàn)樵隈R氏體狀態(tài)下變形的緊固件能夠容易地在室溫狀態(tài)下貯存。正是由于這一點(diǎn)，寬滯后的合金具有廣泛的應(yīng)用，尤其因?yàn)樵摵辖鹪隈R氏體狀態(tài)下變形后其點(diǎn)制動器利用合金做制動器主要是應(yīng)用在汽車上四挪，主要用于控制引擎、傳送、懸吊等，以提高安全眭、可靠性以及舒適性。如美國公司和德國寶士公司把合金制成彈簧引入汽車排擋系熱處理年第卷第期統(tǒng)中，藉記憶行為來調(diào)整油壓，還可增加減緩器的效能。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，：，國內(nèi)外大量的耐腐蝕性、生物相容性、細(xì)胞毒性、致癌性、溶血性、致敏性等生物化學(xué)試驗(yàn)表明，：，：合金與不銹鋼、鈷鉻合金相比，具有更為優(yōu)良的生物相容性和低生物蛻變性。合金在醫(yī)

14、學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，主要是在內(nèi)科和整形外科的應(yīng)用。，：，：，（）：，在內(nèi)科的應(yīng)用有腔道內(nèi)支架和血管支架、顱骨成形板和固定釘、醫(yī)用超彈性導(dǎo)絲、下腔經(jīng)脈濾器、心腔內(nèi)異常通道栓堵器。在整形外科中的應(yīng)用主要有牙齒矯正絲、超彈性脊椎柱側(cè)彎矯形棒、環(huán)抱臂環(huán)抱式接骨板、髕骨爪、內(nèi)鎖型加壓髓內(nèi)針、縱向加壓骨卡環(huán)環(huán)抱式接骨板、，：，：，：分體式接骨板、自加壓騎縫釘¨。結(jié)束語，：，基形狀記憶合金以其優(yōu)良的性能贏得世人的青睞，在記憶合金領(lǐng)域占據(jù)著絕對的優(yōu)勢。它的發(fā)展尤其是近年來的發(fā)展十分迅速，已成為形狀記憶合金研究領(lǐng)域的重要研究方向。我國已在其基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)方面做了很多工作，但與國外相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于其形狀記憶性和超彈性性能良好且穩(wěn)定，在形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域也占據(jù)著重要位置。為了適應(yīng)在微機(jī)械及各種復(fù)雜環(huán)境中的使用要求，基形狀記憶合金今后的發(fā)展方向是尺寸的超小化、超細(xì)