形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用特點(diǎn)

1、形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用特點(diǎn)摘要：簡(jiǎn)述了形狀記憶合金的發(fā)展概況，介紹了形狀記憶效應(yīng)及其特性.綜述了形狀記憶合金材料的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)超彈性引言：形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,簡(jiǎn)稱SMA)是一類具有形狀記憶性能的合金，其主要特征是具有形狀記憶效應(yīng)1。作為一種新型的功能材料形狀記憶合金在理論研究方面，國(guó)內(nèi)外已做了大量工作，但有關(guān)SMA的疲勞性能研究成果甚少，壽命預(yù)測(cè)及安全估計(jì)成為主要困難。為了更好地研究和使用，作者對(duì)以往的NiTi合金的研究現(xiàn)狀和疲勞測(cè)試概況進(jìn)行綜述和討論。一、形狀記憶效應(yīng)合金在某一溫度下受外力而變形，當(dāng)外力去除

2、后，仍保持其變形后的形狀，但當(dāng)溫度上升到某一溫度，材料會(huì)自動(dòng)回復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對(duì)以前的形狀保持記憶，這種合金稱為形狀記憶合金(ShapememoryAlloy,SMA),所具的回復(fù)原始形狀的能力，稱為形狀記憶效應(yīng)(ShapeMem2oryEffect,SME)。形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變和逆相變等密切相關(guān)，為此定義了各相關(guān)的溫度點(diǎn)。當(dāng)冷卻時(shí)馬氏體相變開(kāi)始溫度為Ms點(diǎn)，終了溫度為Mf點(diǎn).。當(dāng)加熱時(shí)馬氏體逆相變開(kāi)始溫度為As點(diǎn)，終了溫度為Af點(diǎn)。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的上限為Md點(diǎn)。參與馬氏體相變的高溫相和低溫相分別稱為母相和馬氏體相。形狀回復(fù)驅(qū)動(dòng)力是在加熱溫度下，母相與馬氏體相的自由能之差。

3、但是，為了使形狀恢復(fù)完全，馬氏體相變必須是晶體學(xué)上可逆的熱彈性馬氏體相變。二、形狀記憶合金材料的研究現(xiàn)狀至今為止已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)出十幾種記憶合金體系.包括Ag-Cd、Au-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Be、Cu-Au-Zn、Cu-SnCu-ZnCu-Zn-X(X=SiSnAlGa)In-TiNi-AlTi-NiFe-PtFe-PdMn-CuTi-Ni-NbTi-Ni-X(X=HfPdPtAuZr)Ni-Mn-GaNi-Al-MnNi-Co-AlCo-MnCo-Ni、Co-Ni-Ga、和Fe-Mn-Si等。Ti-Ni合金以其優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)和超彈性、耐磨性、耐腐蝕性以及良好的生物相容性，

4、成為實(shí)用化程度最高的合金系列。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)對(duì)新型驅(qū)動(dòng)元件的需要、濺射和微加工技術(shù)的迅速發(fā)展，Ti-Ni形狀記憶合金薄膜得到了廣泛的研究。究形狀記憶合金薄膜材料的工藝與組織和性能之間的關(guān)系、開(kāi)發(fā)材料性能的測(cè)試方法與設(shè)備、測(cè)量和積累性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、研制新型的性能優(yōu)異的復(fù)合梯度薄膜、拓寬薄膜的應(yīng)用范圍等已成為形狀記憶合金薄膜研究的前沿課題。i-Ni合金加工較難，價(jià)格昂貴，相變溫度相對(duì)較低.針對(duì)Ni-Ti合金應(yīng)用實(shí)際，加入第三組元素，以改善性能，降低成本的三元Ni-Ti合金研究受到廣泛關(guān)注，典型合金為Ni-Ti-Cu。Cu基合金是另一種實(shí)用性較強(qiáng)的形狀記憶合金，主要可分為Cu-Zn和Cu

5、-Al兩大類，其中最具開(kāi)發(fā)價(jià)值的是Cu-Zn-Al系和Cu-Al-Ni系。與Ti-Ni合金相比，Cu基合金價(jià)格低廉(成本為Ti-Ni合金的1P101P5)13,容易加工，但在實(shí)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),Cu-Zn-Al系合金存在疲勞強(qiáng)度低、易發(fā)生品界破壞、高于100C時(shí)熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題.通過(guò)添加微量復(fù)合稀土能使晶粒細(xì)化,改善力學(xué)性能。但其工程元件實(shí)用性能測(cè)試相對(duì)較少，影響了該合金的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣。三、形狀記憶合金的發(fā)展趨勢(shì)(a)鐵基形狀記憶合金，因其很好的可加工性和低廉的價(jià)格而備受關(guān)注.最近的研究工作，包括相變機(jī)制、影響因素，主要是通過(guò)選擇合適的合金成分配比和摸索恰當(dāng)?shù)闹苽涔に囂岣吆透纳艶e-Mn-Si

6、系合金性能.新的含NbGVN沉淀、無(wú)需訓(xùn)練的形狀記憶合金，大大降低了加工成本，提高了性價(jià)比，應(yīng)用范圍日血拓展0(b)高溫用形狀記憶合金,Gu-Al-Ni合金通過(guò)降A(chǔ)l提高相變點(diǎn)的方法可以提高使用溫度，其典型成分為Gu-12Al-5Ni-2Mn-Ti,可用做100200C下動(dòng)作的熱敏元件.Gu-11.9Al-2。5Mn合金Ms在150C附近，有較高的抗馬氏體穩(wěn)定化、抗分解能力，有望得到廣泛應(yīng)用。在Ti-Ni合金中以Hf、PdPt、AuZr等貴金屬取代部分Ti(Ni),可以顯著提高相變溫度.高溫用形狀記憶合金在熱驅(qū)動(dòng)器、繼電器及核工業(yè)等高溫領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。(c)磁性形狀記憶合金，(Ma

7、gneticShapeMem2oryAlloy,MSMA)不但具有傳統(tǒng)形狀記憶合金受溫度場(chǎng)控制的熱彈性形狀記憶效應(yīng)，而且具有受磁場(chǎng)控制的磁性形狀記憶效應(yīng)，因此，合金兼有大恢復(fù)應(yīng)變、大輸出應(yīng)力、高響應(yīng)頻率和可精確控制的綜合特性，使其可能在大功率水下聲納、微位移器、震動(dòng)和噪聲控制、線性馬達(dá)、微波器件、機(jī)器人等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，有望成為壓電陶瓷和磁致伸縮材料之后的新一代驅(qū)動(dòng)與傳感材料.目前，已發(fā)現(xiàn)的磁性形狀記憶合金主要包括：Ni系合金Ni-Mn-Ga,Ni-Al-Mn,Ni-Go-Al等;Go系合金Go-Mn,Go-Ni,Go-Ni-Ga等；Fe系合金Fe-Pd,Fe-Mn-Si,Fe-Ni-Go-T

8、i,Fe-Pt,Fe-G,Fe-Gr-Ni-Mn-Si-Go等。其中，Ni-Mn-Ga合金是最早發(fā)現(xiàn)的MSMA已實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用。結(jié)束語(yǔ)：目前，對(duì)形狀記憶合金的疲勞研究還局限于測(cè)試方法討論階段，常用的是試驗(yàn)法、理論分析法、數(shù)值計(jì)算等方法。鑒于形狀記憶材料如NiTi合金的性能獨(dú)特性，其疲勞性能的研究趨向于把這幾種方法結(jié)合起來(lái)使用(如文獻(xiàn)9),才有可能更準(zhǔn)確地測(cè)試其疲勞性能，原因是形狀記憶合金獨(dú)特的記憶效應(yīng)使得其疲勞行為有別于普通金屬材料，由于存在熱彈性馬氏體現(xiàn)變，其疲勞行為較為復(fù)雜，疲勞機(jī)理研究還不透徹。根據(jù)形狀記憶合金的不同性能應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，其疲勞表征方法也不一樣，缺乏對(duì)記憶合金疲勞性能科學(xué)合

9、理的評(píng)價(jià)手段，并且對(duì)于記憶合金疲勞性能的測(cè)試方法也是千差萬(wàn)別，沒(méi)有建立統(tǒng)一規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法準(zhǔn)確地估計(jì)疲勞壽命，為其應(yīng)用帶來(lái)了安全隱患。針對(duì)眾多的形狀記憶材料的研究結(jié)論和方法以及存在的問(wèn)題，應(yīng)該加強(qiáng)形狀記憶合金的疲勞性能研究，根據(jù)形狀記憶合金的性能和用途，有必要在世界范圍內(nèi)建立一套統(tǒng)一的研究方法和合理的評(píng)價(jià)體系，為其使用的安全性和可靠性提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)1.陳邦義,梁成浩.銅基形狀記憶合金及其耐蝕性研究進(jìn)展J.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2003,15(6):337-341.2 .徐華蘋(píng)，毛協(xié)民.Gu基形狀記憶合金發(fā)展現(xiàn)狀及展望J.2005年中國(guó)壓鑄、半固態(tài)加工學(xué)術(shù)年華?？?345-347.3 .司乃潮，趙國(guó)旗,楊道清，等.復(fù)合稀土對(duì)CuZnAl形狀記憶合金力學(xué)性能的影響J.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2003,13:393-398.4 .耿冰,王純武，林仁榮，等.Cu-26.4Zn-4Al(Re)記憶合金工程元件熱穩(wěn)定性及應(yīng)用J.稀有金屬,第五屆全國(guó)稀有金屬學(xué)術(shù)交流會(huì)論文?？?，2007,819-822.5 .陳淑娟，何國(guó)球