第5-1章形狀記憶合金

1、l自動(dòng)張開收縮的窗簾l自動(dòng)控制水溫的熱水器l一、形狀記憶效應(yīng)一、形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect)l二、形狀記憶效應(yīng)的機(jī)理二、形狀記憶效應(yīng)的機(jī)理(Mechanism)l三、相變超彈性三、相變超彈性(Pseudoelasticity) l四、形狀記憶合金材料四、形狀記憶合金材料(SMA Materials) l五、形狀記憶合金的應(yīng)用五、形狀記憶合金的應(yīng)用(Applications)l六、材料學(xué)方面的問題六、材料學(xué)方面的問題(Problems)l形狀記憶形狀記憶是指具有初始形狀的制品變形后，通過加熱是指具有初始形狀的制品變形后，通過加熱等處理手段又回復(fù)初始形狀的功能。等處理手段

2、又回復(fù)初始形狀的功能。具有形狀記憶功具有形狀記憶功能的材料包括能的材料包括形狀記憶合金形狀記憶合金和和形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物。 l形狀記憶效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于形狀記憶效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于3030年代年代， 19321932年年, ,瑞典人奧蘭德在瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到金鎘合金中首次觀察到“記憶記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀?；氐皆瓉淼男螤?。l19611961年美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室首先研究了年美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室首先研究了Ni-TiNi-Ti合金的形狀記

3、憶合金的形狀記憶效應(yīng)。在一次試驗(yàn)中他們將試驗(yàn)用彎曲的鎳效應(yīng)。在一次試驗(yàn)中他們將試驗(yàn)用彎曲的鎳- -鈦合金絲拉直后鈦合金絲拉直后升溫試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳升溫試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳- -鈦合金絲突然又全部恢復(fù)鈦合金絲突然又全部恢復(fù)到原來彎曲的形狀到原來彎曲的形狀, , 而且和原來一模一樣而且和原來一模一樣, , 具有良好的形狀具有良好的形狀記憶效應(yīng)。這引起了人們的重視并開始進(jìn)行集中研究記憶效應(yīng)。這引起了人們的重視并開始進(jìn)行集中研究. .l19751975年以來，形狀記憶合金作為一種新型功能材料年以來，形狀記憶合金作為一種新型功能材料, ,其應(yīng)用研其應(yīng)用研究已十分活躍。究已十分活躍。合金的

4、這種記憶效應(yīng)是由合金的合金的這種記憶效應(yīng)是由合金的 “相變相變化化”來實(shí)現(xiàn)的，隨著溫度的改變，合金的來實(shí)現(xiàn)的，隨著溫度的改變，合金的結(jié)構(gòu)從一相轉(zhuǎn)變到另一相。結(jié)構(gòu)從一相轉(zhuǎn)變到另一相。記憶合金的開發(fā)迄今不過記憶合金的開發(fā)迄今不過20余年，但由余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽(yù)為矚目，被譽(yù)為神奇的功能材料神奇的功能材料。l某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態(tài)某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后下進(jìn)行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失的溫度時(shí)

5、，材料的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失的溫度時(shí)，材料 就能完全恢復(fù)變形前就能完全恢復(fù)變形前的形狀和體積，這種的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為形狀記憶效形狀記憶效應(yīng)應(yīng)(SME)。具有形狀具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱記憶效應(yīng)的合金稱形形狀記憶合金狀記憶合金(SMA)。 形狀記憶效應(yīng)示意圖形狀記憶效應(yīng)示意圖這種只能記憶住高溫時(shí)形狀的現(xiàn)象稱為單向這種只能記憶住高溫時(shí)形狀的現(xiàn)象稱為單向記憶效應(yīng)（又稱單程記憶）。記憶效應(yīng)（又稱單程記憶）。 某些記憶材料例如某些記憶材料例如TiNi合金及合金及Cu基記憶合金經(jīng)基記憶合金經(jīng)過一定的特殊處理后，材料可以過一定的特殊處理后，材料可以“記憶記憶”住高住高溫時(shí)的形態(tài)，又

6、可溫時(shí)的形態(tài)，又可“記憶記憶”低溫時(shí)的形狀。當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)的形狀。當(dāng)溫度在高溫和低溫之間往返變化時(shí)，材料自行溫度在高溫和低溫之間往返變化時(shí)，材料自行在兩種形狀之間變換，這種現(xiàn)象稱為雙向記憶在兩種形狀之間變換，這種現(xiàn)象稱為雙向記憶效應(yīng)（效應(yīng)（Two Way Memory Effect，簡寫為，簡寫為TWME）。）。 單程形狀記憶效應(yīng)和雙程形狀記憶效應(yīng)示意圖單程形狀記憶效應(yīng)和雙程形狀記憶效應(yīng)示意圖l具有雙向記憶的合金，在一定溫度區(qū)間，隨溫具有雙向記憶的合金，在一定溫度區(qū)間，隨溫度升降，材料將反復(fù)變形。度升降，材料將反復(fù)變形。另有一種特異的現(xiàn)象，它不僅具有另有一種特異的現(xiàn)象，它不僅具有雙向形狀記憶效應(yīng)，而

7、且在反復(fù)變雙向形狀記憶效應(yīng)，而且在反復(fù)變溫過程中，總是遵循相同的形狀變溫過程中，總是遵循相同的形狀變化規(guī)律，即記憶了中間過程化規(guī)律，即記憶了中間過程 這種在溫度循環(huán)過程中出現(xiàn)的自發(fā)形這種在溫度循環(huán)過程中出現(xiàn)的自發(fā)形狀變化，其形狀變化大于所有可逆形狀變化，其形狀變化大于所有可逆形狀記憶效應(yīng)，而且高溫形狀和低溫形狀記憶效應(yīng)，而且高溫形狀和低溫形狀是完全可以倒置的，這種記憶效應(yīng)狀是完全可以倒置的，這種記憶效應(yīng)稱為全方位形狀記憶效應(yīng)（稱為全方位形狀記憶效應(yīng)（All-Round Shape Memory Effect，縮寫，縮寫為為ARSME）。）。 全方位形狀記憶效應(yīng)示意圖全方位形狀記憶效應(yīng)示意圖全方

8、位形狀記憶效應(yīng)全方位形狀記憶效應(yīng)鋼淬火變硬的現(xiàn)象鋼淬火變硬的現(xiàn)象圖圖5.1馬氏體相變晶體學(xué)模型馬氏體相變晶體學(xué)模型f.c.c. b.c.c馬氏體相變馬氏體相變定義定義：替換原子無擴(kuò)替換原子無擴(kuò)散位移（切變），即散位移（切變），即原子沿相界面作協(xié)作原子沿相界面作協(xié)作運(yùn)動(dòng)），使其形狀改運(yùn)動(dòng)），使其形狀改變和表面浮凸，呈現(xiàn)變和表面浮凸，呈現(xiàn)不變平面應(yīng)變特征的不變平面應(yīng)變特征的一級、形核一級、形核- -長大型長大型的相變。的相變。圖圖5.2馬氏體相變示意圖馬氏體相變示意圖圖圖5.3馬氏體相變平面示意圖馬氏體相變平面示意圖馬氏體相變的基本特征馬氏體相變的基本特征無擴(kuò)散切變型相變無擴(kuò)散切變型相變點(diǎn)陣不變平

9、面應(yīng)變點(diǎn)陣不變平面應(yīng)變固定取向關(guān)系固定取向關(guān)系馬氏體片內(nèi)具有亞結(jié)馬氏體片內(nèi)具有亞結(jié)構(gòu)構(gòu)相變具有可逆性相變具有可逆性圖圖5.45.4馬氏體相變的一些臨界溫度馬氏體相變的一些臨界溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度馬氏體相變與其他相變一樣，具有可逆馬氏體相變與其他相變一樣，具有可逆性。當(dāng)冷卻時(shí)，由高溫母相變?yōu)轳R氏體相，性。當(dāng)冷卻時(shí)，由高溫母相變?yōu)轳R氏體相，稱為冷卻相變，用稱為冷卻相變，用Ms、Mf分別表示馬氏分別表示馬氏體相變開始與終了的溫度。體相變開始與終了的溫度。加熱時(shí)發(fā)生馬氏體逆變?yōu)槟赶嗟倪^程。加熱時(shí)發(fā)生馬氏體逆變?yōu)槟赶嗟倪^程。該逆相變的起始和終止溫度分別用該逆相變的起始和終止溫度分別用As與與Af

10、表示。表示。 圖圖5.55.5馬氏體相變的臨界溫度馬氏體相變的臨界溫度一般材料的相變溫度滯后（一般材料的相變溫度滯后（As-Ms）非）非常大，例如常大，例如Fe-Ni合金約合金約400。各個(gè)馬氏。各個(gè)馬氏體片幾乎在瞬間就達(dá)到最終尺寸，一般不體片幾乎在瞬間就達(dá)到最終尺寸，一般不會隨溫度降低而再長大。會隨溫度降低而再長大。在記憶合金中，相變滯后比前者小一個(gè)在記憶合金中，相變滯后比前者小一個(gè)數(shù)量級，例如數(shù)量級，例如Au-47.5%Cd（原子分?jǐn)?shù)）（原子分?jǐn)?shù)）合金的相變滯后僅為合金的相變滯后僅為15。冷卻過程中形。冷卻過程中形成的馬氏體會隨著溫度變化而繼續(xù)長大或成的馬氏體會隨著溫度變化而繼續(xù)長大或收縮

11、，母相與馬氏體相的界面隨之進(jìn)行彈收縮，母相與馬氏體相的界面隨之進(jìn)行彈性式的推移。性式的推移。 l形狀記憶效應(yīng)與其組織變化形狀記憶效應(yīng)與其組織變化有關(guān)，這種組織變化就是馬有關(guān)，這種組織變化就是馬氏體相變。形狀記憶合金應(yīng)氏體相變。形狀記憶合金應(yīng)具備以下三個(gè)條件：具備以下三個(gè)條件：Cu-Zn形狀記憶合金中的馬氏體形狀記憶合金中的馬氏體l馬氏體相變是熱彈性類型的；馬氏體相變是熱彈性類型的；l馬氏體相變通過孿生馬氏體相變通過孿生(切變切變)完成，而不是通過滑移完成，而不是通過滑移產(chǎn)生；產(chǎn)生；l母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)。母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)。 l1 1、熱彈性馬氏體相變、熱彈性馬氏體相變 (The

12、rmoelastic Martensitic Transformation)l馬氏體相變是無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。根據(jù)其轉(zhuǎn)變特點(diǎn)可將馬氏體相變是無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。根據(jù)其轉(zhuǎn)變特點(diǎn)可將馬氏體相變分為非熱彈性馬氏體相變（馬氏體相變分為非熱彈性馬氏體相變（A A類）和熱彈類）和熱彈性馬氏體相變（性馬氏體相變（B B類）兩類。類）兩類。 非熱彈性馬氏體非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體NON-THERMOELASTIC MARTENSITE THERMOELASTIC MARTENSITE l冷卻時(shí)高溫母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度冷卻時(shí)高溫母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度MsMs與加熱與加熱時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶嗟钠鹗紲囟葧r(shí)

13、馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶嗟钠鹗紲囟華sAs之間的溫度差稱為之間的溫度差稱為熱滯后熱滯后。A A類轉(zhuǎn)變的熱滯后大類轉(zhuǎn)變的熱滯后大，在，在MsMs以下馬氏體瞬間以下馬氏體瞬間形核瞬間長大，隨溫度下降，馬氏體數(shù)量增加是靠新形核瞬間長大，隨溫度下降，馬氏體數(shù)量增加是靠新核心形成和長大核心形成和長大實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的。加 熱的。加 熱時(shí)，馬氏體 在時(shí)，馬氏體 在達(dá)到達(dá)到As之前已之前已經(jīng)分解經(jīng)分解(如如Fe-C合金合金)，因而不，因而不發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。A、B類馬氏體相變的熱滯后類馬氏體相變的熱滯后 (B)(A)Fraction martensitethermal hysteresislB類轉(zhuǎn)變熱滯后非常小類轉(zhuǎn)變

14、熱滯后非常小，在，在Ms以下升降溫時(shí)馬氏體數(shù)以下升降溫時(shí)馬氏體數(shù)量減少或增加是通過馬氏體片縮小或長大來完成的，量減少或增加是通過馬氏體片縮小或長大來完成的，母相與馬氏體相界面可逆向光滑移動(dòng)，這種轉(zhuǎn)變是可母相與馬氏體相界面可逆向光滑移動(dòng)，這種轉(zhuǎn)變是可逆的，逆轉(zhuǎn)變逆的，逆轉(zhuǎn)變完成后，不留完成后，不留下任何痕跡，下任何痕跡，得到方位上和得到方位上和以前完全相同以前完全相同的母相。的母相。(B)(A)A、B類馬氏體相變的熱滯后類馬氏體相變的熱滯后 Fraction martensitethermal hysteresisl相變時(shí)熱滯后小，反映了相變驅(qū)動(dòng)力（母相與馬氏體相變時(shí)熱滯后小，反映了相變驅(qū)動(dòng)力（

15、母相與馬氏體相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移動(dòng)。這種動(dòng)。這種熱滯后小、冷卻時(shí)界面容易移動(dòng)的馬氏體相熱滯后小、冷卻時(shí)界面容易移動(dòng)的馬氏體相變稱為變稱為熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變。冷卻時(shí)驅(qū)動(dòng)力大，馬氏體。冷卻時(shí)驅(qū)動(dòng)力大，馬氏體長大，同時(shí)馬氏體周圍母相中產(chǎn)生的彈性能增加，冷長大，同時(shí)馬氏體周圍母相中產(chǎn)生的彈性能增加，冷卻停止，馬氏體長大也停卻停止，馬氏體長大也停止，即止，即熱驅(qū)動(dòng)力與彈性能熱驅(qū)動(dòng)力與彈性能平衡，稱之為平衡，稱之為熱彈性平衡熱彈性平衡. .熱彈性馬氏體與鋼中的淬熱彈性馬氏體與鋼中的淬火馬氏體不一樣，通常它火馬氏體不一樣，

16、通常它比母相還軟比母相還軟。 熱彈性馬氏體箭狀形熱彈性馬氏體箭狀形貌的明場像貌的明場像CuAl14Ni4.2單晶奧氏體基體中的馬氏體箭單晶奧氏體基體中的馬氏體箭CuAl14Ni4.2單晶奧氏體基體中的馬氏體箭隨冷卻和加單晶奧氏體基體中的馬氏體箭隨冷卻和加熱而生長和退縮熱而生長和退縮(Growth and decay of a martensitic arrow in an austenitic matrix upon cooling and subsequent heating.CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal)Martensitic arrow in aust

17、enitic matrix. CuAl14Ni4.2 (wt%) single crystal冷卻冷卻加熱加熱t(yī)ransformation front passing through the wire during a load controlled experimentl2、馬氏體相變機(jī)制、馬氏體相變機(jī)制l馬氏體相變是通過切變完成的，馬氏體相變是通過切變完成的，其亞結(jié)構(gòu)為孿晶其亞結(jié)構(gòu)為孿晶。形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)要求相變時(shí)體積變化小，這樣才要求相變時(shí)體積變化小，這樣才能降低應(yīng)變能。形狀記憶合金相能降低應(yīng)變能。形狀記憶合金相變時(shí)圍繞母相的一個(gè)特定位向常變時(shí)圍繞母相的一個(gè)特定位向常常形成四種

18、自適應(yīng)的常形成四種自適應(yīng)的馬氏體變體馬氏體變體(Variant），并以母相的慣習(xí)面，并以母相的慣習(xí)面呈對稱排列，這四種變體合稱為呈對稱排列，這四種變體合稱為一個(gè)一個(gè)馬氏體群馬氏體群，如右圖所示。，如右圖所示。 馬氏體片群馬氏體片群(011)100TaRu孿生組孿生組織內(nèi)的織內(nèi)的透鏡狀透鏡狀孿晶孿晶TaRu孿生組孿生組織內(nèi)的織內(nèi)的反向疇反向疇界界具有粗細(xì)孿晶具有粗細(xì)孿晶NbRu的典型組織的典型組織Cu-Zn形狀記憶合金形狀記憶合金中的自適應(yīng)馬氏體中的自適應(yīng)馬氏體Ti-48.2Ni-1.5Fe合金合金中中R相自適相自適應(yīng)現(xiàn)象的光應(yīng)現(xiàn)象的光鏡組織鏡組織l如不考慮母相原子區(qū)別，形狀記憶合金的母相主要是

19、如不考慮母相原子區(qū)別，形狀記憶合金的母相主要是體心立方結(jié)構(gòu)，密排面體心立方結(jié)構(gòu)，密排面(即慣習(xí)面即慣習(xí)面)為為110，因此，相，因此，相變后的馬氏體片群有六個(gè)，形成變后的馬氏體片群有六個(gè)，形成24種馬氏體變體。當(dāng)種馬氏體變體。當(dāng)一片馬氏體形成時(shí)，由于剪切變形，一片馬氏體形成時(shí)，由于剪切變形，在周圍母相中造成了很大的內(nèi)應(yīng)力，在周圍母相中造成了很大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)在這片馬氏體附近形成另一片馬當(dāng)在這片馬氏體附近形成另一片馬氏體變體時(shí)，便可抵消單片馬氏體氏體變體時(shí)，便可抵消單片馬氏體所產(chǎn)生的切應(yīng)變，由四種變體組成所產(chǎn)生的切應(yīng)變，由四種變體組成的片群的總應(yīng)變幾乎為零，這就是的片群的總應(yīng)變幾乎為零，這就是馬氏

20、體相變的馬氏體相變的自適應(yīng)現(xiàn)象自適應(yīng)現(xiàn)象。 (011)100由母相中形成馬氏體時(shí)，產(chǎn)生一定的應(yīng)變。顯由母相中形成馬氏體時(shí)，產(chǎn)生一定的應(yīng)變。顯然，不同取向的馬氏體變體的應(yīng)變在母相中的然，不同取向的馬氏體變體的應(yīng)變在母相中的方向是不同的。當(dāng)某一變體在母相中形成時(shí)，方向是不同的。當(dāng)某一變體在母相中形成時(shí)，產(chǎn)生某一方向的應(yīng)變場，隨變體的長大，應(yīng)變產(chǎn)生某一方向的應(yīng)變場，隨變體的長大，應(yīng)變能不斷增加，變體的長大越來越困難。為降低能不斷增加，變體的長大越來越困難。為降低應(yīng)變能，在已形成的變體周圍會形成新的變體，應(yīng)變能，在已形成的變體周圍會形成新的變體，新變體的應(yīng)變方向與已形成的變體的應(yīng)變場互新變體的應(yīng)變方向

21、與已形成的變體的應(yīng)變場互相抵消或部分抵消。有均勻體積變化，無明顯相抵消或部分抵消。有均勻體積變化，無明顯形狀改變。形狀改變。馬氏體的自適應(yīng)形成馬氏體的自適應(yīng)形成l右圖中，右圖中，A與與C、B與與D互為孿晶，互為孿晶，當(dāng)其變形時(shí)當(dāng)其變形時(shí), 假設(shè)應(yīng)力方向與假設(shè)應(yīng)力方向與A的應(yīng)變方向相近，這時(shí)的應(yīng)變方向相近，這時(shí) D、C 就就會以孿生方式向會以孿生方式向A轉(zhuǎn)變，并以界轉(zhuǎn)變，并以界面的移動(dòng)合并面的移動(dòng)合并 B。同樣，六個(gè)群。同樣，六個(gè)群體也可互相轉(zhuǎn)化，最后體也可互相轉(zhuǎn)化，最后24 個(gè)變個(gè)變體可變成一個(gè)方位的單晶馬氏體，體可變成一個(gè)方位的單晶馬氏體，這就是這就是馬氏體再取向過程馬氏體再取向過程，當(dāng)大，

22、當(dāng)大部或全部馬氏體都采取一個(gè)取向部或全部馬氏體都采取一個(gè)取向時(shí)，便顯示出明顯的變形。時(shí)，便顯示出明顯的變形。 對組織為自適應(yīng)馬氏體的樣品施加外力時(shí)，在對組織為自適應(yīng)馬氏體的樣品施加外力時(shí)，在較較小的應(yīng)力作用下，馬氏體變體以其應(yīng)變方向小的應(yīng)力作用下，馬氏體變體以其應(yīng)變方向與外加應(yīng)力相適應(yīng)而再取向。即變體的應(yīng)變方與外加應(yīng)力相適應(yīng)而再取向。即變體的應(yīng)變方向與外加應(yīng)力方向最接近的變體通過吞并其它向與外加應(yīng)力方向最接近的變體通過吞并其它應(yīng)變方向與外加應(yīng)力不相適應(yīng)的變體而長大，應(yīng)變方向與外加應(yīng)力不相適應(yīng)的變體而長大，直至整個(gè)樣品內(nèi)的各個(gè)不同取向的變體最終轉(zhuǎn)直至整個(gè)樣品內(nèi)的各個(gè)不同取向的變體最終轉(zhuǎn)變成一個(gè)變

23、體。這時(shí)，由母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所變成一個(gè)變體。這時(shí)，由母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所產(chǎn)生的相變應(yīng)變不再互相抵消，而是產(chǎn)生的相變應(yīng)變不再互相抵消，而是沿沿外加應(yīng)外加應(yīng)力方向累積起來，樣品顯示出宏觀形狀的變化。力方向累積起來，樣品顯示出宏觀形狀的變化。卸去應(yīng)力后，變形保持下來。卸去應(yīng)力后，變形保持下來。 馬氏體的再取向馬氏體的再取向只有將其加熱到只有將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學(xué)上可逆性，也就是在相變中形成的各個(gè)馬氏體體學(xué)上可逆性，也就是在相變中形成的各個(gè)馬氏體變體和母相的特定位向的點(diǎn)陣存在嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，變體和母相的特定位向的點(diǎn)陣存在嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，因此逆相變時(shí)，只能回

24、到原有的母相狀態(tài)，這樣也因此逆相變時(shí)，只能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復(fù)到原狀。就回復(fù)到原狀。這就是形狀記憶的基本原理。這就是形狀記憶的基本原理。 母相母相 冷卻冷卻馬氏體馬氏體 變形變形變形馬氏體變形馬氏體變形變形變形馬氏體變形馬氏體加熱加熱 母相母相5.135.13形狀記憶效應(yīng)過程示意圖形狀記憶效應(yīng)過程示意圖熱彈性馬氏體相變合金的形狀記憶原理熱彈性馬氏體相變合金的形狀記憶原理由上述討論可知，具有形狀記憶效應(yīng)的合由上述討論可知，具有形狀記憶效應(yīng)的合金應(yīng)具備如下條件：金應(yīng)具備如下條件：馬氏體相變是熱彈性的；馬氏體相變是熱彈性的；馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞

25、結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)；為孿晶或位錯(cuò)；母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。必須指出的是：近來開發(fā)的鐵系等少量合金必須指出的是：近來開發(fā)的鐵系等少量合金通過非熱彈性馬氏體相變也可顯示形狀記憶效通過非熱彈性馬氏體相變也可顯示形狀記憶效應(yīng)，因此熱彈性馬氏體并不是具有形狀記憶效應(yīng)，因此熱彈性馬氏體并不是具有形狀記憶效應(yīng)的必要條件。應(yīng)的必要條件。近年來，在陶瓷材料、高分子材料也發(fā)現(xiàn)了近年來，在陶瓷材料、高分子材料也發(fā)現(xiàn)了記憶效應(yīng)。記憶效應(yīng)。半熱彈性馬氏體相變合金的形狀記憶原理半熱彈性馬氏體相變合金的形狀記憶原理5.145.

26、14具有半熱彈性馬氏體相變合金形狀記憶效應(yīng)機(jī)理示意圖具有半熱彈性馬氏體相變合金形狀記憶效應(yīng)機(jī)理示意圖l3、相結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)(Phase Structure)l母相和馬氏體均屬有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這是左右馬氏體相母相和馬氏體均屬有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這是左右馬氏體相變可逆性的重要因素。變可逆性的重要因素。形狀記憶合金母相的晶體結(jié)構(gòu)形狀記憶合金母相的晶體結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是比較簡單，主要是B2和和DO3。如果不考慮原子差別，。如果不考慮原子差別，兩者都是體心立方。兩者都是體心立方。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，大多為長周雜一些，大多為長周期堆垛。同一母相轉(zhuǎn)期堆垛。同一母相轉(zhuǎn)變得到的馬氏體可以變得到的

27、馬氏體可以有幾種結(jié)構(gòu)。有幾種結(jié)構(gòu)。馬氏體馬氏體奧氏體奧氏體 NiTiNiTi合金的相變合金的相變Different phases of an SMA Temperature-induced phase transformation of an SMAB2 (cesium chloride) crystal structure. B19 crystal structure. Parent (austenite) phase with B2 structureMartensite phase with monoclinic B19 structurel馬氏體還可由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生，馬氏體還可由應(yīng)力誘發(fā)

28、產(chǎn)生， 在高于在高于Ms的某一溫度（的某一溫度（Md）以）以下對合金施加外力引起馬氏體相變所形成的馬氏體稱下對合金施加外力引起馬氏體相變所形成的馬氏體稱應(yīng)力應(yīng)力誘發(fā)誘發(fā)馬氏體馬氏體。應(yīng)力去除后，變形馬氏。應(yīng)力去除后，變形馬氏 形狀記憶合金和超彈性變化的機(jī)理示意圖形狀記憶合金和超彈性變化的機(jī)理示意圖體又變回該溫度下的穩(wěn)體又變回該溫度下的穩(wěn)定母相，恢復(fù)母相原來定母相，恢復(fù)母相原來形狀，應(yīng)變消失形狀，應(yīng)變消失, ,這種現(xiàn)這種現(xiàn)象稱象稱超彈超彈(Superelasticity)或偽彈或偽彈(Pseudoelasticity) 應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)量為外加應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)

29、量為外加應(yīng)力的函數(shù)，即當(dāng)施加的外應(yīng)力增加時(shí)，母相轉(zhuǎn)變應(yīng)力的函數(shù)，即當(dāng)施加的外應(yīng)力增加時(shí)，母相轉(zhuǎn)變成馬氏體相的數(shù)量增加，當(dāng)應(yīng)力減少時(shí)則進(jìn)行逆相成馬氏體相的數(shù)量增加，當(dāng)應(yīng)力減少時(shí)則進(jìn)行逆相變使母相增多。變使母相增多。外應(yīng)力對誘發(fā)相變的作用不僅與合金種類有關(guān)，外應(yīng)力對誘發(fā)相變的作用不僅與合金種類有關(guān)，而且受試驗(yàn)溫度的影響。在而且受試驗(yàn)溫度的影響。在Ms以上，某一定溫度以以上，某一定溫度以下，應(yīng)力或形變會導(dǎo)致馬氏體的形成，將此溫度稱下，應(yīng)力或形變會導(dǎo)致馬氏體的形成，將此溫度稱為為Md溫度。溫度。 形狀記憶過程形狀記憶過程馬氏體自適應(yīng)形馬氏體自適應(yīng)形（Ms Mf）宏觀均勻變形，宏觀均勻變形，無明顯形狀變化無明顯形狀變化馬氏體再取向馬氏體再取向（ Mf以下施加以下施加一定限度內(nèi)的應(yīng)一定限度內(nèi)的應(yīng)力）力）有明顯形狀變化有明顯形狀變化馬氏體逆轉(zhuǎn)變馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相回母相形狀變化消失形狀變化消失施加應(yīng)力馬氏體施加應(yīng)力馬氏體沿應(yīng)力方向擇優(yōu)沿應(yīng)力方向擇優(yōu)形成（形成（Md以下）以下）有明顯形狀變化有明顯形狀變化卸除應(yīng)力馬氏卸除應(yīng)力馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母體逆轉(zhuǎn)變回母相（相（Af以上）以上）