功能材料課件-形狀記憶合金

第四章形狀記憶合金

形狀記憶原理形狀記憶合金材料的種類及特點(diǎn)形狀記憶材料的應(yīng)用形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys）以其特有的形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect)而得名。形狀記憶效應(yīng)：

——是指合金在一定條件下變形，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，其形狀得以恢復(fù)的功能。形狀記憶合金

——是通過(guò)熱彈性與馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)而具有形狀記憶效應(yīng)的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。常規(guī)金屬材料的最大彈性變形：0.5～0.8％形狀記憶合金的最大彈性變形量：8％

形狀記憶原理

形狀記憶合金機(jī)理：熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變：A0f：奧氏體終了溫度A0s：奧氏體開(kāi)始溫度M0f：馬氏體終了溫度M0s：馬氏體開(kāi)始溫度溫度馬氏體晶體大小下降長(zhǎng)大升高縮小應(yīng)力彈性馬氏體相變

超彈性機(jī)理：應(yīng)力彈性馬氏體相變超彈性（偽彈性）：在馬氏體形成開(kāi)始溫度以上某個(gè)溫度施加變形能形成馬氏體。應(yīng)力馬氏體晶體大小增大長(zhǎng)大減小縮小形狀記憶過(guò)程

形狀記憶合金基本要求早期：①馬氏體是熱彈性的②形變是通過(guò)孿生而不是滑移發(fā)生的③馬氏體是由有序的母相形成的④相變時(shí)在晶體學(xué)上是完全可逆的近年：形成單變體馬氏體并排除其它阻力，材料通過(guò)馬氏體相變及其逆相變，從而實(shí)現(xiàn)記憶效應(yīng)。形狀記憶合金馬氏體相變的特點(diǎn)：①非擴(kuò)散型相變，即母相原子排列的切應(yīng)變；②變形所引起的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)影響馬氏體的生長(zhǎng)方向；③馬氏體形成時(shí)都伴隨形狀變化，造成馬氏體的擇優(yōu)取向，形成在某方向上的單晶馬氏體。形狀記憶效應(yīng)的種類形狀記憶效應(yīng)可以分為三種：（1）單向形狀記憶效應(yīng)（2）雙向形狀記憶效應(yīng)（3）全方位形狀記憶效應(yīng)*課堂練習(xí)簡(jiǎn)述形狀記憶效應(yīng)的種類及其特點(diǎn)。形狀記憶合金可以分為三種：鎳鈦系銅系鐵系其性能見(jiàn)P51表5-2鎳鈦系基本特點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。但制造過(guò)程較復(fù)雜、價(jià)格高昂。（一）Ti-Ni基記憶合金中的基本相和相變析出相：Ti2Ni和TiNi3這三個(gè)金屬間化合物，對(duì)記憶效應(yīng)有影響基本相－TiNi相：母相是CsCl結(jié)構(gòu)的體心立方晶體(B2)馬氏體的結(jié)構(gòu)為單斜晶體結(jié)構(gòu)是棱面體點(diǎn)陣的R相（適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件下出現(xiàn)）TR相變不出現(xiàn)記憶效應(yīng)由單一相變貢獻(xiàn)Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應(yīng)的兩種相變過(guò)程母相馬氏體母相R相馬氏體依成分和預(yù)處理?xiàng)l件的不同相變過(guò)程都是熱彈性馬氏體相變R相變出現(xiàn)記憶效應(yīng)由兩個(gè)相變階段貢獻(xiàn)加鐵、時(shí)效例：加Cu置換Ni形狀記憶效應(yīng)、力學(xué)性能，合金的價(jià)格顯著降低加入Cu對(duì)相變溫度有顯著影響相變溫區(qū)（Ms-Mf）、（Af-As）都變窄窄滯后記憶合金

例：加Nb可得到很寬滯后的記憶合金（二）合金元素對(duì)Ti-Ni合金相變的影響加入合金元素調(diào)整相變點(diǎn)銅系Cu-Al合金Al含量高時(shí)γ2相也隨之析出不利于記憶效應(yīng)。加入Ni可抑制γ2相析出,從而發(fā)展出Cu-Al-Ni系記憶合金。加入其它組元進(jìn)一步提高性能（多元合金）基本特點(diǎn)：形狀記憶效應(yīng)好，價(jià)格便宜，易于加工制造，但強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，不具有生物相容性。

主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al兩個(gè)二元系發(fā)展而來(lái)Cu-Zn合金的熱彈性馬氏體相變溫度極低，通過(guò)加入Al,Ge,Si,Sn,Be可以有效的提高相變溫度，由此發(fā)展了的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be)三元合金。加入其它組元進(jìn)一步提高性能（多元合金）

Cu-Zn-Al合金相圖的垂直截面圖(6wt%Al)Cu基記憶合金的成分范圍通常在相（電子化合物）區(qū)（一）Cu基記憶合金中的基本相和相變

相區(qū)成分的合金亞穩(wěn)的有序

'相高溫淬火冷卻馬氏體熱彈性馬氏體相變轉(zhuǎn)變加熱冷卻（二）Cu-Zn-Al基記憶合金的穩(wěn)定性及其影響因素影響相變點(diǎn)的因素：穩(wěn)定性－相變點(diǎn)、記憶性能、力學(xué)性能、化學(xué)成分：Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)%

熱循環(huán)：隨熱循環(huán)次數(shù)的增加相變點(diǎn)會(huì)變化。在大多數(shù)情況下Ms、Af溫度升高，而As和Mf下降或保持不變。同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變的量也會(huì)有所降低，即有部分馬氏體失去熱彈性。循環(huán)一定次數(shù)后相變點(diǎn)與馬氏體轉(zhuǎn)變量都趨于穩(wěn)定值。鐵系基于熱彈性可逆馬氏體相變基本特點(diǎn)：鐵基記憶合金具有強(qiáng)度高、易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)、實(shí)用的合金經(jīng)濟(jì)性好主要合金：Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Pt、Fe-Pd相變溫度很低基于非熱彈性可逆馬氏體相變Fe-Mn-SiFe-Ni-SiFe-Cr-Si-Mn-CoMs點(diǎn)在室溫附近，可回復(fù)變形高達(dá)4%，耐蝕性很好基于非熱彈性可逆馬氏體相變的形狀記憶機(jī)制馬氏體非熱彈性馬氏體非自適應(yīng)形成馬氏體不能發(fā)生再取向馬氏體可應(yīng)力誘發(fā)形成馬氏體具有擇優(yōu)取向馬氏體在加熱時(shí)能夠逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體合金產(chǎn)生宏觀變形變形隨之消失形狀記憶變形在Ms以上進(jìn)行無(wú)雙程記憶效應(yīng)形狀記憶合金的應(yīng)用阿波羅11號(hào)——天線機(jī)械應(yīng)用自控元件形狀記憶合金制成的水龍頭上的溫度調(diào)節(jié)裝置制作發(fā)動(dòng)機(jī)利用形狀記憶合金在高溫、低溫時(shí)發(fā)生相變，產(chǎn)生形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能、熱能之間的相互轉(zhuǎn)換。醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用血栓過(guò)濾器圖1過(guò)濾器植入前造影，見(jiàn)左下肢靜脈堵塞圖2過(guò)濾器植入前定位1，腎靜脈造影圖3過(guò)濾器植入前定位2，腎靜脈造影圖4過(guò)濾器植入后擴(kuò)張形狀記憶合金制成的“蝴蝶”（可模仿肌肉的收縮）人工心臟陶瓷形狀記憶材料隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型，其結(jié)構(gòu)分別為立方晶系、四方晶系（簡(jiǎn)記為t相）、單斜晶系（簡(jiǎn)記為m相）。其轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

1170oC2370

oC2715

oC

單斜ZrO2

四方ZrO2

立方ZrO2

液體施加應(yīng)力也可誘發(fā)t相轉(zhuǎn)變?yōu)閙相可逆馬氏體相變可實(shí)現(xiàn)形狀記憶（與鐵基記憶合金類似）冷卻加熱t(yī)相m相SMP的記憶機(jī)理形狀記憶高分子（shapememorypolymer,簡(jiǎn)稱SMP）SMP可以是