当前位置:文档之家› 形状记忆合金简介1

形状记忆合金简介1

形状记忆合金简介1
形状记忆合金简介1

形状记忆合金简介

20世纪80年代中期,人们提出了智能材料(smart material )的概念。这种材料的基本特点是具有感知与驱动双重功能,即材料自身能感知环境的变化,并做出相应的响应。它的研究呈开放和辐射性,涉及的学科包括化学、物理学、材料学、计算机、海洋工程、航空和医学等领域学科[1-2]。迄今为止,已研究的智能材料主要有压电/电致伸缩陶瓷;形状记忆材料;磁致伸缩材料(Terfenol-D );电、磁流变体等[3-7]。

作为智能材料之一的形状记忆合金材料(shape memory alloys ,SMA ),由于具有独特的形状恢复,自我驱动及机械功输出的特性,应用范围已经涉及机械、电子、化工、航空、航天、能源、交通和医疗等许多领域。SMA 材料的形状记忆效应,是通过合金高温奥氏体(母相)到低温马氏体的马氏体相变及逆相变过程来实现的。因此,下面分别介绍一下马氏体相变和形状记忆效应。

1 马氏体相变与形状记忆效应

1.1 马氏体相变

马氏体相变的发现可追溯到100多年前。1895年Osmond [8]将高碳钢经淬火后的显微组织命名为马氏体,以后人们就以这类组织的形态(针叶状)及其性质(硬度高,具有铁磁性)来描述马氏体,把形成这类组织的过程以及其晶体结构改变(面心立方→四角(正方))过程称为马氏体相变。随后在其他合金中也发现了马氏体,其形成和钢中马氏体近似,但马氏体的形态和性质各异,如Fe-Ni 合金中的马氏体硬度不高,低碳钢中马氏体呈条状状态,有色合金马氏体的硬度甚至低于母相,且不具有磁性。1948年Cohen [9]认为,应摒弃以往以组织形态和性质来定义马氏体,宜着重研究其形成过程。以后,一些学者根据马氏体形成的特征,提出马氏体相变的各种定义。如Barrett 在1948年的相变讨论会上称马氏体相变为无扩散相变。Hull [10]在1954年定义马氏体相变为“点阵变化时原子做规则运动,使发生相变的区域形成形状改变、原子不需要扩散的一种相变。”在1965年以前,大家对马氏体相变的定义,侧重无扩散、原子协作迁动和形状改变,此后,Lieberman [11],Wayman [12]和Nishiyama [13]等人以晶体学特征来定义马氏体。1995年的国际马氏体相变会议上,专门安排了一个单元讨论马氏体相变的定义。这里给出徐祖耀在会议上给出的定义[14]:将马氏体定义为冷却时马氏体相变的产物,其加热时的逆相变也往往是马氏体型的,但逆相变的产物一般只称为母相;将马氏体相变定义为:替换原子经无扩散位移(均匀和不均匀形变)、由此产生形状改变和表面浮凸、呈不变平面应变特征的一级、形核—长大型的相变。

根据马氏体相变的特征及各学者所作的定义,可以认定马氏体相变是一级、形核-长大和无扩散的结构相变之一。所谓无扩散型相变,是从原子迁移特征来分类,指相变时原子(或离子)会发生移动,但相邻原子的相对位移不会超过原子间距,也不破坏原有的近邻关系,所以,无扩散型相变不会改变固溶体的成分;而所谓一级相变,是从热力学来分类,如果相变时,化学势连续,但一级偏导不连续,称为一级相变,由于V p T

=???? ????μ,S T P =??? ????μ,其中,μ为化学势,所以

在一级相变时会有体积V 及熵S 的突变,而V 及S 的突变表明相变时会有体积的膨胀或收缩及潜热的放出或吸收。相变时没有替换原子的无规行走、或顺序跳跃穿越界面,因而新相(马氏体)一般承袭了母相的化学成分、原子有序态和缺陷;在含间隙原子的低碳钢中,碳在马氏体相变中会进行扩散,使化学成分有些改变,但碳的扩散不是马氏体相变的必需和主要过程。

1.2 马氏体转变主要特征

马氏体转变是在低温下进行的一种转变。对于钢来说,此时不仅铁原子已不能扩散,就是碳原子也难以扩散。故马氏体转变具有一系列不同于加热转变以及珠光体转变的特征。这里只提出其中几个最重要的转变特征。

1.2.1 马氏体转变的非恒温性

大多数合金系具有变温马氏体相变特征,必须将奥氏体以大于临界冷却速度的冷速过冷到某一温度以下才能发生马氏体转变,这一温度称为马氏体转变开始温度,用M S 表示。马氏体转变开始温度与珠光体转变不同,当奥氏体被过冷到M S 点以下任一温度时,不需经过孕育,转变立即开始,且以极大速度进行,但转变很快停止,不能进行到终了。为了使转变继续进行,必须降低温度,即马氏体转变是在不断降温的条件下才能进行。如图1.1所示,成分为C 1、C 2合金的马氏体开始转变点分别为M S1和M S2,在冷却过程中,温度降低到M S 以下发生相变,不断降温,不断转变,转变量取决于冷却到达的温度,而与在某一温度停留的时间无关。马氏体转变的这一特征称为非恒温性。非恒温转变动力学特征用一条温度-转变量曲线描述,见图 1.1。当温度降到某一温度以下时,虽然马氏体转变量φM 还未达到100%,但转变已不能进行。该温度称为马氏体转变终了点,用M f 表示。

降温时马氏体体积分数的增加靠不断产生新的马氏体片,而不是靠原有马氏体片的长大。这意味着在任一过冷度下,转变量是有限的,生长速度又是极快的。

1.2.2 马氏体转变的表面浮凸现象和共格性

Dain 在1924年就曾报道,预先抛光的试样,当冷至M S 点以下形成马氏体时表面出现皱纹。图 1.2(a)为w C =0.2%C 钢形成马氏体时在抛光的试样表面上所出现的表面浮凸;图1.2(b)为同一试样再经抛光并浸蚀后显示和表面浮凸相对

应的马氏体组织。

(a)表面浮凸 (b)对应的组织 图1.2 w C =0.2%的钢马氏体的表面浮凸及其对应的组织

于马氏体又属于奥氏体。而且整个界面是互相牵制的,如图1.3所示。这种界面称为“切变共格”界面,是以母相切变维持共格关系的,故称为第二类共格界面。 1.2.3 马氏体转变的无扩散性

20世纪30年代就已发现高碳马氏体形成很快,在80~250K 温度内长大速率都在103m s -1数量级。在80K 低温下,原子扩散不可能超过一个原子间距,说明马氏体相变为无扩散型相

变。高碳钢经淬火后呈现马氏体和残余奥氏体

两相,经分别测得两相的点阵常数,得出两相碳质量分数相同,证明马氏体相变中并不改变成分。

无扩散性并不是说转变时原子不发生移动,马氏体转变时出现浮凸说明铁原子不仅有移动,而且产生了肉眼能观察到的移动。所谓无扩散,指的是母相以均匀切变方式转变为新相。此时每一个原子均相对于相邻原子以相同的矢量移动,且移动距离不超过原子间距,移动后仍保持原有的近邻关系。相隔距离较远的原子之间的相对位移可以为肉眼所观察到。扩散型相变则与此不同,相界面向母相推移时,原子以散乱方式由母相转移到新相,每一个原子移动的方向都是任意的,相邻原子的相对位移超过原子间距,原子的近邻关系遭到破坏。

1.2.4 马氏体转变的位向关系及惯习面

由于马氏体转变时新相和母相之间始终保持着切变共格性,因此马氏体转变后新相和母相存在着严格的晶体学位向关系。实验证明,马氏体转变不仅新相和母相有一定的位向关系,而且马氏体在奥氏体的特定晶面上形成,这个晶面称为惯习面。在相变过程中惯习面不变形也不转动,惯习面通常以母相的晶面指数来表示。

1.2.5 马氏体转变的可逆性

在某些铁基合金中,奥氏体可以在冷却时转变为马氏体,而已形成的马氏体重新加热时又能无扩散地转变为奥氏体,这种现象称为马氏体转变的可逆性。马氏体直接向奥氏体的转变称为马氏体的逆转变,因为在加热时马氏体分解为铁素体和渗碳体。马氏体的逆转变也发生在一定的温度范围内,逆转变开始温度用As 表示,终了温度用A f 表示。通常A S 温度高于M S 温度,对于不同的合金A S 与M S 之间的温差不同。

1.3 马氏体转变的切变模型

马氏体转变的无扩散性及在低温下仍以很高的速度进行等事实,都说明在相变过程中点阵的重组是由原子集体的、有规律的、近程迁动完成的,而无成分变化。因此,可以把马氏体转变看作晶体由一种结构通过切变转变为另一种结构过程。已经提出了好几种切变模型,现分别介绍如下:

1.3.1 Bain 模型

早在1924年Bain 就注意到可以把面心立方点阵看成是轴比为c/a =1.41(即21/2:1)的体心正方点阵。同样,也可以把稳定的体心立方的铁素体看成是体心正方点阵,其轴比等于1。Bain 认为由面心立方的奥氏体转变为体心正方的马氏体时,只要将面心立方点阵的z 轴压缩而将垂直于z 轴的x ′及y ′轴拉长,使点阵参应变场

γ γ α

数接近于马氏体的点阵参数,即可得到马氏体点阵,如图1.4所示。

图1.4 面心立方点阵转变为体心立方点阵的Bain模型Bain模型给出了点阵变化的清淅模型,但不能解释宏观切变和惯习面的存

在,也不能解释马氏体内部的亚结构。

1.3.2 K-S切变模型

库尔久莫夫和萨克斯测出w C=1.4%的碳钢中马氏体与奥氏体存在的位向关系,即K-S关系,为了满足这一取向关系必须有点阵的切变。他们于1930年提出了轴比相当于1.06的点阵转换模型,即K-S模型。

设想奥氏体分以下几个步骤转变为马氏体,如图1.5所示。

①在(111)面上沿]

11

2[方向产生第一次切变,第二层原子(B层原子)移动1/12]

11

2[,而更高层原子则按比例增加。但相邻两层原子的相对位移都是相同的。第一次切变角是19?28′。

②第二次切变:第二次切变是在)2

11

1[方向产

1

(面上,垂直于(111)面,沿]0

生10?30′的切变。第二次切变后,使顶角由120?变为109?30′或60?角增至70?30′。

③经两次切变后,再作一些小的调整,使晶面间距和测得结果相符合。

K-S切变模型的成功之处,在于它导出了所测得的点阵结构和位向关系,给出了面心立方的奥氏体点阵改建为体心正方马氏体点阵的清晰模型,但是惯习面

和宏观切变与事实不符。

图1.5 K-S切变模型

(a) 按K-S切变模型面心立方点阵改建为体心立方点阵的示意图;

(b) a)图在奥氏体点阵中的位置

1.3.3 马氏体相变的G-T 模型

G-T 模型也是一个经典模型,具有代表性。A.B.Grcninger 、A.R.Troiano 于1949年通过均匀切变和非均匀切变的合成,来满足一种Fe-Ni-C 合金马氏体相变的晶格重构、外形改变、惯习面等方面的要求,提出了G-T 模型。

G-T 模型指出,假定有一个沿着惯习面的切变满足倾动角要求而不能满足晶体结构的要求时,可以在主切变的基础上沿着“马氏体”一定的晶面进行第二次切变,以便满足两方面的要求:沿着惯习面的第一次切变为主切变,是均匀切变,而第二次切变是非均匀切变,如图1.6所示。

物体的应变分为均匀切变和非均匀切变两类。均匀应变是指系统内每一个基本单元,如每个晶胞发生的应变量等于宏观应变量,如热膨胀即是常见的均匀应变。从晶格的角度讲,均匀应变总是晶格类型的改变或晶格参数的变化。非均匀应变就是系统内各部分应变量不同,如金属的塑性变形在微观上是不均匀的。

图1.6(a)表示以惯习面(中脊面)为基准的均匀切变——主切变。图1.6(b)表示二次切变(滑移)的发生面,以及切变后外形的变化。二次切变是在经过主切变“马氏体”中沿着{211}α晶面上的[111]方向反复地进行滑移。

G-T 模型认为,当非均匀切变区间距δ小于一定数值时,配以适当的切变量s ,二次切变不仅能调整马氏体外形、发生宏观为θ的切变,而且还可以对晶格和位向起调整作用,使其能基本上符合新相的要求。如果从图1.6的K 方向看去,二次切变的情形如图1.7所示,其中θ为12?~13?,δ有十几个原子层厚。

完成G-T 模型两种切变后,并没有完全达到实际晶体要求。为了满足晶体学要求,尚需作些小的调整,可见该模型还有不足之处。但是,该模型提出不久,就在Au-Cd 合金马氏体中发现了孪晶亚结构。20世纪60年代后又在铁基合金马氏体中观察到孪晶。G-T 模型第一次将非均匀切变作为马氏体相变的一个组成部分,预示了马氏体相变将产生相变位错和相变孪晶,这为稍后相变晶体学唯象学说的研究作了准备。

1.4 马氏体转变的热力学和动力学

1.4.1 马氏体转变的热力学条件

(a)滑移 (b)孪生

图1.6 G-T 模型 图1.7 二次切变

(a)以惯习面为基准的均匀切变

(b)二次切变的发生面及切变后的外形变化

θ

K δ 二次切变 [111]α 主切变 [259]γ (a) (b)

马氏体转变与其他类型的转变有许多不同之

处,但仍然是热学性的,即相变的驱动力仍是马

氏体与母相之间的体积自由焓之差。如图1.8所

示,成分相同的奥氏体与马氏体的化学自由焓G

均随温度升高而下降,但下降的速率不同,故必相交于某一温度T 0,低于T 0,马氏体是稳定相,故奥氏体应转变为同成分的马氏体。高于T 0,马

氏体应转变为同成分的奥氏体。T 0随合金成分而

异。

奥氏体在T 0与M S 之间不会转变为马氏体,但如果对奥氏体进行塑性变形,在奥氏体发生塑性变形的同时将转变为马氏体,称为形变诱发马

氏体。马氏体转变量与形变温度有关,温度越高,形变能诱发的马氏体量越少。高于某一温度时,形变不再能诱发马氏体,该温度被称为形变马氏体点,用M d 表示。塑性变形同样也能使逆转变在T 0与As 之间发生。变形诱发逆转变的下限温度用A d 表示。M d 与A d 同样也随合金成分而异。

形变能够诱发马氏体转变的原因可用图1.9说明。设△G γ→α`为马氏体转变所必须的驱动力。在M S 点有化学自由焓所提供的驱动力已达到马氏体转变所需的驱动力。高于M S 点时,化学自由焓所提供的驱动力小于△G γ→α`,故转变不能进行,但塑性变形可以提供机械驱动力,如果该能量与化学驱动力相互叠加,能够达到相变所需的最小驱动力,则相变就可以提前发生。若机械驱动力可全部代替化学驱动力,M d 点已上升到T 0,但这要求一种合适的变形方式,以提供足够的机械驱动力。 与冷却时马氏体转变一样,逆转变也必须在一定的过热度下才能发生,即必须加热到略高于T 0的某一温度As 以

上时才能发生。另外逆转变也必须在不断升温的过程中才能不断进行,也有一个转变终了温度A f 。As 与Af 也均随合金成分而变。

1.4.2 马氏体转变的驱动力

马氏体转变和其他相变一样,相变的驱动力也是新相和母相的化学自由焓差△G v ,△G v =G M -G γ,式中G M 为马氏体的自由焓,G γ为奥氏体的自由焓。由热力学得知,同一成分奥氏体与马氏体的自由焓与温度的关系如图1.8所示。奥氏体和马氏体的自由焓随温度变化曲线相交于T 0,T 0为两相热力学平衡温度,即在T 0温度时,G γ=G M 。当温度降至T 0以下时,马氏体的自由焓低于奥氏体的自由焓,即G γ

但是与其他相变不同,马氏体转变并不是在略低于T 0的温度发生的,而必须深度过冷,过冷到远低于T 0的M S 点以下才能发生。这是因为马氏体转变时除了形成新的界面,而增加一项界面能以外,还增加一项弹性应变能。因此,系统总的自由焓变化为△G =△G v +(△G s +△G e ),其中△G v 是马氏体与奥氏体的体积化学

0 图 1.8 奥氏体和马氏体的自由焓与温度的关系

自由焓差,为负值,是相变的趋动力;△G s为表面能,由于马氏体和奥氏体之间存在共格界面,所以△G s一项数值很小,不是相变的主要阻力。△G e为弹性应变能,它除由于马氏体转变时新相与母相的比容变化而引起的以外,还包括维持第二类共格所消耗的弹性能,这一项数值很大,比表面能△G s大几倍,是相变的主要阻力。因此,只有深冷,使△G增大到足以补偿(△G s+△G e)时,马氏体转变才能发生,这就是必须过冷到M S点以下的原因。因此,M S可以定义为奥氏体和马氏体两项自由焓差达到相变所需要的最小驱动力值时的温度,也就是说M S点是开始发生马氏体转变的温度。

1.5 马氏体相变分类【14】。

(1) 按现有马氏体相变热力学的知识,以相变驱动力大小可将相变分为两类:一类是相变驱动力较大的,达几百卡/mol,铁基合金中面心立方母相转变为体心立方(正方)马氏体属于这一类;一类是相变驱动力较小,只有几卡/mol 或几十卡/mol,包括由面心立方母相转变为六方相马氏体和一些热弹性马氏体,本论文中讨论的几种材料属于后一类。

(2) 按马氏体形成方式的不同,可将马氏体相变分为:马氏体的变温形成,即马氏体的形成只是温度的函数;马氏体的等温形成,即马氏体的数量依赖于时间;马氏体的爆发形成,即马氏体在一定温度时以瞬间大量爆发形成;以及热弹性马氏体,随温度的下降(或应力的增加),马氏体长大、增多,随温度的上升(或应力的减少),马氏体收缩、减少,马氏体的形成随温度或应力而弹性地变化。本论文中讨论的材料属于最后一种。对热弹性马氏体相变的判据为:临界相变驱动力小,相变热滞小;相界面能往复运动;相变形状应变为弹性协作,马氏体内的弹性存储能能对逆相变驱动力作出贡献。

(3) 按形核机制的不同,一般将马氏体相变形核分为经典的均匀形核和非经典的非均匀形核。

1.6 形状记忆效应

前面已经提到,马氏体相变的一个应用功能是形状记忆效应。形状记忆效应是指把具有某种形状的材料从高于某个临界温度(T M)的高温冷却,使之形成低温相,在低温相状态下加载变形,产生一定的残留应变后重新加热,超过某临界温度(T A)时发生逆相变并回复到原来形状的现象。如图1.10所示。

图1.10 形状记忆效应示意图

形状记忆效应可分为三种类型:单程形状记忆效应,双程形状记忆效应和全程形状记忆效应[15]。图1.11表示三种形状记忆效应的示意图。单程形状记忆效应是指材料在高温奥氏体相制成某种形状,在低温马氏体相将其任意变形,然后再加热到高温奥氏体时合金会恢复到变形以前的形状,而重新冷却时不能恢复其在低温马氏体相时的形状。若合金不仅在加热时恢复到原来奥氏体的形状,而且在冷却时也会恢复到马氏体形状,即通过温度升降自发可逆地反复恢复奥氏体和马氏体形状的现象称为双程形状记忆效应。此外,当加热时恢复奥氏体形状,冷却

时变为形状相同而取向相反的奥氏体形状的现象称为全程形状记忆效应。

图1.11 三种类型形状记忆效应示意图

下面简单介绍一下形状记忆效应的微观机理。当母相奥氏体冷却到低于相变温度Ms 时,即转变成马氏体。通过多晶和单晶CuZn合金[16]的实验发现,相变时,马氏体常围绕母相的一个特定位相形成4种变体,合称为一个“马氏体片群”。变体的惯习面以这一特定位相对称排列。在光学显微镜下采用偏振光观察,每个马氏体片群具有4种不同颜色,这表征各个变体的位相不同。之所以形成这种结构,是因为每片马氏体形成时,在其周围的基体中造成了一定方向的应力场,变体欲沿这个方向长大就很困难。如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成,它将沿阻力小的取向生长,使应变能降低。宏观上看,由4种变体组成的片群的总应变能趋近于零,此即称为“马氏体相变的自适应现象”。在通常的形状记忆合金中,根据马氏体与母相的晶体学关系,共有6个片群,24种马氏体变体。在外力作用下,形状记忆合金可以把马氏体相变自适应相互抵消的变形量提供出来。这里有两种情况:一种是呈马氏体状态的试样,在单向外力作用下自适应排列的马氏体顺应力方向发生再取向,当大部或全部马氏体都取一个方向时,造成马氏体的择优取向,整个试样呈现明显的形变;另一种是呈母相状态的试样,在单向外力作用下能诱发马氏体相变,所生成的马氏体都顺应力方向作择优取向,整个试样也会呈现明显的形变。马氏体择优取向是通过孪生和界面移动实现的。这种变体的择优生长称为马氏体再取向过程。当加热时,在逆相变温度A s 和A f 之间,马氏体发生逆转变。由于马氏体晶体的对称性低,因此在逆转变时马氏体中只形成几个母相的等效晶体位向,有时只形成一个母相的原来位向。当母相为长程有序时,形成单一母相原来位向的倾向更大,使马氏体完全回复了原来母相的晶体,宏观变形也就完全回复。基于这种机理,形状记忆合金能够记忆各种赋于它的形状,在外界温度变化时,产生形状记忆功能。

影响形状记忆效应的因素可包括以下几种:

1. 母相有序度和晶粒度及马氏体的形变度。

2. 马氏体态的时效。

3. 母相时效及其他相变。

4. 热循环。

2 形状记忆合金的发展概况

金属的形状记忆效应最早是1938年Greninger和Mooradian在CuZn合金中

观察到的[17]。1948年,苏联学者Kurdjumov[18]等人预测,在具有可逆相变的SMA 中可能呈现热弹性马氏体。次年(英文发表在1959年)他们在Cu-14.7Al-1.5Ni 合金中发现了热弹性马氏体,并称这类相变为热弹性马氏体相变[19,20]。其后1951年Chang和Read[21]在单晶Au-47.5at.%Cd合金中观察到低温马氏体相和高温母相之间的界面随温度下降向马氏体相推移,随温度上升向母相推移,这是最早观察到的形状记忆效应的例子,但当时并未以形状记忆命名。这种形状记忆效应只是看作个别材料的特殊现象,并未引起人们的重视。直到1963年美国海军武器实验室的W.J.Buehler研究小组[22]在TiNi合金中发现了形状记忆效应。1969年,Raychem公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14战斗机上;1970年,美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。这一现象才被确认为一些特定金属材料的内在属性。至此,对SMA材料的研究才进入了一个新的阶段。20世纪70年代,相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al2-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金;80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金,由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90年代至今,高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。迄今为止,人们开发出来具有形状记忆效应的合金有100多种。按照合金组成和相变特征可分为三类:TiNi基、Cu基和Fe基系形状记忆合金。

TiNi合金有Ti-Ni、Ti-Nb、Ti-Ni-X(Fe、Cu、Au、Pt、Pd)等。Cu基合金主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来,有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Mn、Cu-Al-Si等。Fe基合金有Fe-Ni、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn、Fe-Mn-C、Fe-Mn-Si、Fe-Mn-Si-Ni(Cr)、304不锈钢和Fe-Pt 等。还有Au-Cd、Ag-Cd、Au-Cu-Zn、NiAl、U-Nb、Ni-Al、Ni-Al-Co等。

3 形状记忆合金的应用

形状记忆合金由于具有许多优异的性能,因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

3.1 航空航天工业中的应用

形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件,欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线,人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线,再在低温下把它压缩成一个小铁球,使它的体积缩小到原来的千分之一,这样很容易运上月球,太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状,按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另外,在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置,该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

3.2 机械电子产品中的应用

1970年美国用形状记忆合金制作F-14战斗机上的低温配合连接器,随后有数以百万以上的连接件的应用。形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝,用于制造导体的金属丝编织层的安全接

头。这种连接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置,并能在-65~300℃可靠地工作。已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧,用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床,一旦由于震动、碰撞等原因变形,只需加热即可排除故障。在机械制造过程中,各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上,现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具,这种装置叫驱动汽缸,它具有效率高灵活,装夹力大等特点。

3.3 生物医疗上的应用

用于医学领域的TiNi形状记忆合金,除了利用其形状记忆效应或超弹性外,还应满足化学和生物学等方面的要求,即良好的生物相容性。TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。目前,在医学上TiNi合金主要应用有:

(a)牙齿矫形丝用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝,其中用超弹性TiNi合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝CoCr合金丝,但这些材料有弹性模量高,弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力,在矫正前就要加工成弓形,而且结扎固定要求熟练。如果用TiNi合金作牙齿矫形丝,即使应变高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变,使弹性模量呈现非线型特性,即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单,疗效好,也可减轻患者不适感。

(b) 脊柱侧弯矫形各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等)疾病,不仅身心受到严重损伤,而且内脏也受到压迫,所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形,在手术中安放矫形棒时,要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下,一但受力过大,矫形棒就会破坏,结果不仅是脊柱,而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化,大约矫正力降到初始时的30%时,就需要再进行手术调整矫正力,这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒,只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化,以通过体外加热形状记忆合金,把温度升高到比体温约高5℃,就能恢复足够的矫正力。

另外,外科中用TiNi形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等,随着形状记忆的发展,医学应用将会更加广泛。

3.4 日常生活应用

(a) 防烫伤阀在家庭生活中,已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤;这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约48℃)时,形状记忆合金驱动阀门关闭,直到水温降到安全温度,阀门才重新打开。

(b) 眼镜框架在眼镜框架的鼻梁和耳部装配TiNi合金可使人感到舒适并抗磨损,由于TiNi合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性TiNi合金丝做眼镜框架,即使镜片热膨胀,该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变

形能力很大,而普通的眼镜框则不能做到。

(c) 移动电话天线和火灾检查阀门使用超弹性TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线,由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线,具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中,当局部地方升温时阀门会自动关闭,防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是,它具有检查阀门的操作,然后又能复位到安全状态;这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用,在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体;这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。

3.5 其他方面的应用

在工程和建筑领域,TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用,因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用,形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视,应用前景更广阔。

4 形状记忆合金材料存在的问题和研究方向

在SMA的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:

(1) 由于SMA的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA只适用于低频(10 Hz以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

(2) SMA自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

(3) 现有的SMA机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA的材料行为也是一个需要研究的重要课题。

(4) 在医学应用方面,还需继续研究SMA的生物相容性和细胞毒性。

(5) SMA作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

(6) 为了提高应用水平,SMA元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

SMA研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:

(1) 充分发掘、改进和完善现有SMA的性能;

(2) 研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;

(3) SMA薄膜的研究与应用;

(4) SMA智能复合材料的研究与开发;

(5) 高温SMA的开发。

传统的SMA虽然可逆应变和恢复力大,但因其马氏体相变是由温度变化驱动的,提供加热和散热冷却的条件都是不可缺少的,特别是用以产生复杂运动控制器其控制机构比较复杂,实现起来不够方便。另外在实际应用过程中,与加热时间相比,散热所要的时间要更长些。因此,为了尽快返回原状态,常常需要利用空气或水进行强制冷却。热驱动的形状记忆材料普遍存在响应频率低(~ 1 Hz)的问题,在一定程度上和某些场合下严重制约了这类材料的广泛应用[23]。与这

种传统的温控记忆合金相比,电致和磁致伸缩材料具有很高的响应频率(~1000 Hz),但其可逆应变量较小,最好的磁致伸缩材料Terfenol-D所能达到的最大可逆应变量也只有0.2%左右。而且脆性较大,不能满足工程应用中对驱动部件的性能要求。如果能通过外加磁场控制马氏体相变中的形状变化,这样既可以保持传统形状记忆材料输出应变和应力大的优点,同时又可实现瞬时动作,大大提高响应频率,克服传统温控形状记忆材料响应频率低的缺点,将在应用领域具有巨大潜力。铁磁形状记忆合金的研究就是在这样的背景下兴起的。

5铁磁形状记忆合金

5 1铁磁形状记忆合金的发展概况与研究进展

与温控型形状记忆合金相比,铁磁形状记忆合金(Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMAs)是一种“具有较短历史的新材料”[24]。这种材料1993年被发现,但直到1996年美国麻省理工学院的K.Ullakko博士在《材料工程与性能学报》上发表了一篇题为:“铁磁形状记忆合金一种新型的执行器材料”文章,公布了该种新型材料模型实验结果之后,FSMA才被人们知晓。近几年来,他们先后在美国、匈牙利、芬兰、乌克兰举行的国际会议上对其研究成果作了交流。特别是2001年3月在美国南加州NewPort Beach国际光学工程学会SPIE召开的以“时尚结构与材料”(Smart Structure and Materials)为主题的学术年会上专进行了“SMA 与FSMA材料”的专题研讨,芬兰赫尔辛基工业大学和美国麻省理工学院分别介绍了他们对FSMA研究的新进展。

表5.1几种驱动材料的商业参数对比[26]

FSMA[25]是兼有铁磁性和热弹性马氏体相变的一类形状记忆材料。相对于传统磁致伸缩材料而言,FSMA展现出更为巨大的磁致应变(比磁致伸缩材料高一个数量级);相对于传统的记忆合金,FSMA的形状记忆功能增加了一个可被外场操作和干预的参量-磁性。在传统形状记忆合金中,材料能够展示应力场和温度场下的记忆效应。磁性的出现使得第三种控制场-磁场,成为影响材料功能的

因素之一。也就是说,它们的应用功能由于它们具有磁性,而使其对外界作用场的反应更加多样化。也使得我们能够寻找最佳外界作用场耦合条件去促使材料某一性能更为突出。从而使材料应用功能更强,应用范围更广,成为各种新型换能器、驱动器、敏感元件和MEMS元件的更好的候选材料。表5.1列出了铁磁形状记忆合金与其他几种驱动材料的商业参数对比[26]。可见铁磁性形状记忆合金的出现,开辟了形状记忆合金新的应用领域,增强了传统磁致伸缩材料的实用性能和应用范围。因而铁磁性形状记忆合金一出现就引起了人们的广泛关注,成为近十年中材料科学界、凝聚态物理学界、医学界及相关应用领域研究的热点之一。

5.2 磁性形状记忆合金的分类

5.2.1 Ni基磁性形状记忆合金

Ni基磁性形状记忆合金主要包括Ni-Mn-Ga,Ni-Mn-Al,Ni-Fe-Ga,Ni-Mn-In,Ni-Mn-Sn,Ni-Mn-Sb等[27-30],均属于L21型Heusler合金族[31]。其高温奥氏体相为体心立方结构,由4个fcc亚结构组成,属于Fm3m空间群。低温马氏体相,根据合金成分不同,有体心四方、体心正交等多种晶体结构。

5.2.2 Co基磁性形状记忆合金

Co基磁性形状记忆合金主要包括Co-Ni-Ga,Co-Ni-Al,Co-Mn,Co-Ni。其中,Co-Ni-Ga和Co-Ni-Al属于L21型Heusler合金族。Co基磁性形状记忆合金的特点是具有高韧性,宽的马氏体相变和磁性转变温度范围和宽的超弹性温区[32-36]。

5.2.3 Fe基磁性形状记忆合金

Fe基磁性形状记忆合金主要包括Fe-Pd,Fe-Pt,Fe-Mn-Ga,Fe-Co-Ni-Ti[37]。其中,Fe-Pd和Fe-Pt是非Heusler型磁性形状记忆合金。Fe-Mn-Ga合金的体心立方相属于Heusler合金。

5.3 磁性形状记忆合金的存在的问题

自1996年至今天的16年间,人们已经对磁性形状记忆合金进行了较为广泛而深入的研究,对这类新型智能材料的微观结构、相变特征、物理效应等方面的认识已经逐步深化和清晰。但是,与已经广泛应用的传统形状记忆合金、磁致伸缩材料、压电材料相比,磁性形状记忆合金仍然处于基础研究阶段,距实际应用还有较大距离。有诸多关键问题尚未解决:

(1)虽然基于磁场诱发孪晶再取向的大磁致应变效应是目前最有希望得到实际应用的性能,但磁致应变的不稳定性是必须首先要解决的关键问题。

(2)磁场诱发相变的驱动磁场高达几个特斯拉,远高于普通电磁铁所能提供的磁场。所以如何降低诱发相变的临界磁场也是未来应关注的问题。

(3)目前的MSMA大多存在质地较脆,临界孪晶应力较低、价格昂贵等缺点,这些都对其研究实验和MSMA元件的批量生产造成了很大阻碍。研发新型MSMA以改善其缺陷,降低产品成本是迫切需要解决的问题。

(4)对MSMA材料加工和连接性能方面的研究应更加重视,这将对其实际应用起很大的作用。

(5)在如何提高磁驱动应变和形状记忆效应方面还需作更加深入的研究。

(6)设计新的驱动器结构,充分利用磁控记忆合金较大的变形率,并实现旋转和大行程的直线运动。

(7)MSMA执行器的位移和转速对温度比较敏感,应在改进材料性能、优化执行器设计和控制方法等来解决此问题。

(8)除了在驱动器方面的应用,应探索其他方面的应用比如传感器。

参考文献

[1] 余声明. 智能磁性材料及其应用.磁性材料及器件,2004(35):1-4

[2] 李扩社,徐静等. 稀土超磁致伸缩材料发展概况. 稀土,2004(25):51-56

[3] 韦光辉,陈道炯等. 压电陶瓷驱动器控制模型建立与仿真. 昆明理工大学学报,

2004(29):50-53

[4] 徐祖耀. 铁基形状记忆合金. 上海金属,1993(2):1-10

[5] Wuttig. M, Li J, Craeiuneseu C. A new ferromagnetic shape memory alloy system,Scripta

Mater.2001(44):2393-2397

[6] V. A. Chernenko and I. N. Vitenko,Structural character and properties of Ni2MnGa ribbon

transforming martensitically,Materials Science Forum, 1994,166-169

[7] E. Cesari, V. A. Chernenko,V. V. Kokonn et al.,Internal friction associated with the structural

phase transformations in Ni-Mn-Ga alloys,Acta Mater., 1977(45):999-1004

[8] F. Osmond. Bull. Soc. Encour. Ind Nat., 1985(10):480

[9] C. S. Barrett. Phase Transformation in Solids. New York: John Wiley & Sons, 1951.343

[10] D. Hull, Bull. Inst. Met., 1954:134

[11] D. S. Lieberman. The Mechanism of Phase Transformations in Crystalline Solids. London:

The Inst. Metals, 1969.168

[12] H. M. Clark, C. M. Wayma. Phase Transformations. ASM, 1970.59

[13] Z. Nishiyama. Martensitic Transformation. New York: Academic Press, 1978.11

[14] 徐祖耀. 马氏体相变与马氏体. 第二版. 北京:科学出版社,1999.45

[15] 徐祖耀,江伯鸿,杨大智,赵连城,郭锦芳,谢超英,蔡伟,黄越. 形状记忆材料. 上

海交通大学出版社,2000,4

[16] R. Rapaciol, M. Ahlers. Electron-microscopic study of martensite formation in beta-Cu-Zn.

Scripta Metalluegica, 1973(7):977-981

[17] A. B. Greninger, V. G. Mooradian. Strain transformation in metastable beta copper-zinc and

beta copper-tin alloy. Trans. Met. Soc. AIME, 1938(128):337-368

[18] G. V. Kurdyumov, Diffusionless (martensitic) transformations in alloys (in Russian) J. Tech.

Phys., 1948(18):999-1025

[19] G. V. Kurdjumov, A. N. Khandros, Dokal. Acad. Sci., S.S.S.R., The thermoelastic behaviour

of the martensitic phase of Au-Cd alloys, 1949(66):211-214

[20] G. V. Kurdjumov, Journal of Metals, 1959(11): 449-453

[21] L. C. Chang, T. A. Read. Plastic deformation and diffusionless phase changes in metals - The

gold-cadmium beta phase. Trans. AIME, 1951(189):47-52

[22] W. J. Buehler, J. Gilfrich, R. C. Wiley, Effect of Low-Temperature Phase Changes on the

Mechanical Properties of Alloys near Composition TiNi J. Appl. Phys., 1963(34):1475-1477

[23] 杨凯,辜承林. 形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展. 微电机,2000(33):32-35

[24] Chengbao Jiang,Gen Feng,Huibin Xu. Co-occurrence of magnetic and structural transitions

in Heusler Ni53Mn25Ga22 alloy,Appl. Phys. Lett, 2002(80):1619-1621

[25] K. Ullakko. Int. Conf. on Magnetic Trans., ICOMAT-95, Lausanne, Switz., Aug. 20-25,1995;

Proceedings of the 3rd International Conference on Intelig. Mtls., Lyon, France, June 2-5, 1996.

[26] R. C. O’Handley. Modern Magnetic Materials, Ed. John Wiley &Sons, INC 1999

[27] K. Oikawa, T. Ota, T. Ohmori, Y. Tanaka, H. Morito, A. Fujita, R. Kainuma, K. Fukamichi,

and K. Ishida. Magnetic and martensitic phase transitions in ferromagnetic Ni-Ga-Fe shape memory alloys. Appl. Phys. Lett., 2002(81):5201-5203

[28] A. Fujita, K. Fukamichi, F. Gejima, R. Kainuma, and K. Isshida. Magnetic properties and

large magnetic-field-induced strains in off-stoichometric Ni-Mn-Al Heusler alloys. Appl. Phys.

Lett., 2001(77):3054-3056

[29] Y. Sutou, Y. Imano, N. Koeda, T. Omori, R. Kainum, K. Ishida, K. Oikawa. Magnetic and

martensitic transformations of NiMnX (X=In, Sn, Sb) ferromagnetic shape memory alloys.

Appl. Phys. Lett., 2004(85):4358-4360

[30] G. D. Liu, J. L. Chen, Z. H. Liu, X. F. Dai, and G. H. Wu, B. Zhang and X. X. Zhang.

Martensitic transformation and shape memory effect in a ferromagnetic shape memory alloy: Mn2NiGa Appl. Phys. Lett., 2005(87):(262504-1)-(262504-3)

[31] F. Heusler. Deut. Phys. Ges., 1903(5):219-212

[32] K. Oikawa, L. Wulff, T. Iijima, F. Gejima, T. Ohmori, A. Fujita, K. Fukamichi, R.Kainuma,

K. Ishida. Promising ferromagnetic Ni-Co-Al shape memory alloy system. Appl. Phys. Lett., 2001 (79): 3290-3292

[33] Y. Liu, W. Zhou, B. Jiang, X. Qi, Y. Liu, J. Wang, C. Feng. Magnetic field induced

reversible strain in Co-Ni single crystal. J. Phys. IV France, 2003(112):1013-1016

[34] Dogan E,Karaman I,Chumlyakov Y I,et al.Microstructure and Martensitic Transformation

Characteristics of CoNiGa High Temperature Shape Memory Alloys. Acta Materialia,

2011(59):1168- 1183

[35] Brown P J, Ishida K, Kainuma R, et al. Crystal Structures and Phase Transitions in

Ferromagnetic Shape Memory Alloys Based on Co-Ni-Al and Co-Ni-Ga.Journal of Physics D: Applied Physics Letters, 2005(17):1301-1310

[36] Dai X F, Liu G D, Liu Z H,et al. Superelasticity of CoNiGa: Fe Single Crystals. Applied

Physics Letters, 2005(87):112504-1-3

[37] E. Cesari, V. A. Chernenko, V.V. Kokorin, J. Pons, C. Segui. Physical properties of

Fe-Co-Ni-Ti alloy in the vicinity of martensitic transformation. Scripta Materialia, 1999(40): 341-345

浅谈记忆材料

浅谈形状记忆合金 引言:时代的发展与材料的发展是相辅相成的。随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。现如今材料的研究越来越专业化,并且逐渐倾向于功能化、多样性。例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。 一、形状记忆合金及形状记忆效应 形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记 忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界 温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。 1、形状记忆合金分类 到目前为止,被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中,根据不同的要求和工作环境,分别在基体中加入和调整一些合金元素的量,使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来,应用在各行各业,以满足各种不同的特殊需求。 (a)Ti-Ni形状记忆合金开发的最早,形状记忆效应最稳定,相对比较成熟,已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni?、Ti价格昂贵,且加工成本高等因素,其应用受到限制。 (b)Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类,但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。 (c)Fe基形状记忆合金发展较晚,成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多,易于加工,在应用方面具有明显的竞争优势,被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料,受到广泛的关注。 2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件 (a)马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型,即马氏体与母相之间的界面的移动是完全可逆的 (b)合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构

形态记忆合金材料论文

题目:关于形态记忆合金的研究进展 摘要:形态记忆合金是新兴的材料,本文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。记忆合金作为一种使用价值比较广泛额材料,我们有理由相信形状记忆合金的发展前途是相当广泛的,也必将造福于人类。此外,通过这些介绍使人们能够真正的理解和认识这种新的材料——形态记忆合金。 关键字::形状记忆合金、探索、各领域应用、形状记忆合金效应 正文: 一,形态记忆合金简介。 形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛关注。 二、形态记忆合金分类及原理

形态记忆合金种类繁多,在现在情况来看,记忆合金主要分为以下几种: (1)单程记忆效应:形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 (2)双程记忆效应:某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。 (3)全程记忆效应:加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。 至今为止发现的记忆合金体系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、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。 三、形态记忆合金的发展。 1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时,首次发现形状记忆效应。 1938年哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化,但是此时并未引起人们的广泛注意。 1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时,在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状,经加热后它的形状又恢复到原来的直条形,引起了材料科学界与工业界的重视,从此形状记忆合金引起了极大的关注。

形状记忆合金的制备方法作用及发展前景

形状记忆合金的制备方法,作用及发展前景摘要:本论文主要论述形状记忆合金的相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的制备方法,作用,介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金制备方法应用发展前景 引言 形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的形变,恢复其形变前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外,这种合金的。另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”(又称“超弹性”,英文pseudoelasticity)行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状恢复力的才具有利用价值。到目前为止,应用最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可制作小巧玲珑,高度自动化,性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得广泛应用。 正文 一.形状记忆合金的制备方法

形状记忆合金及其制备方法,该合金含有主要合金元素Ti、Zr、Nb及添加元素包括Mo、V、Cr、Sn,并加入元素Al;各组分重量百分比分别为:Ti:46-60,Zr:15-25,Nb:15-25;添加元素选取Mo、V、Cr、Sn其中一种或两种,其重量百分比<2.0;Al:0.5-2.5。本发明选用的主要合金元素均为对人体无毒性反应且生体适应性良好的物质;经溶解合金化后,该合金具有出色的形状记忆性能及超弹性特点,并可以进行超过50%乃至99%的冷加工变形性。经过固溶、时效处理的合金可在更广的范围内具有较高的形状记忆回复功能、较高的冷加工塑性及对人体无毒性等优良性能。? 二.形状记忆合金的应用 迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类: (1)自由回复 SMA在马氏体相对产生塑性变形,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或者太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静腔,经体温加热后,形状变成网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

形状记忆合金在医学领域的应用

形状记忆合金在医学领域的应用 1.形状记忆合金的特性 1.1形状记忆合金的结构特性 形状记忆效应(Shape memory effec,t SME)是由于马氏体相变而产生的。具有热弹性(半热弹性)或应力诱发马氏体相变(Stress inducedMartensitic trans-formation, SIM)的形状记忆合金(Shape memory al-loys, SMAs),在马氏体状态下进行一定限度的塑性变形,则在随后的加热过程中,当温度超过马氏体逆相变温度时,材料就能恢复到变形前的体积和形状。 1.2形状记忆合金的分类 形状记忆合金主要分为Ti-Ni基、Cu基及Fe基形状记忆合金。前两种合金主要为热弹性形状记忆合金,Fe基形状记忆合金为半热弹性形状记忆合金,其中用于医学领域的 TiNi 形状记忆合金,除了利用其形状记忆效应或超弹性外,还应满足化学和生物学等方面的要求,即良好的生物相容性。TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。 形状记忆效应主要分为:单程记忆效应,双程记忆效应和全程记忆效应。 形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。 2.形状记忆合金的发展 首次被发现并公开报道某些合金中具有形状记忆效应这一现象的发现,可以追溯至1938年,美国哈佛大学的A.B.Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变,即在加热与冷却过程中,马氏体会随之收缩与长大。1918年前苏联学者Kerdjumov曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变。1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1∶1的CsCl 型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变。数年后.T.A.Read又和M.W.Burkard在InTi合金中发现了同样纳可逆相变。一直到20世纪60年代初,这种观察到的形状记忆效应只看作是个别材料的特殊现象。甚至在1958年布鲁塞尔国际博览会上展出过用AuCd合金制作的重物升降机,都未引起足够的注意。 1963年,美国海军武器实验室W.J.Buchler等人在等原子比NiTi合金中发现了形状记忆效应后,才引起人们的重视,从此形状记忆合金进入了研究和应用的新阶段。到1975年左右,全世界相继开发出具有形状记忆效应的合金达20

形状记忆合金的应用现状与发展趋势

形状记忆合金的应用现状与发展趋势 摘要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 一、引言 形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 二、形状记忆合金的发展史与现状 在金属中发现现状记忆效应最早追溯到20世纪30年代。1938年。当时美国的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后,前苏联的Kurdiumov对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read 在Au47·5Cd(%原子)合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应,才开创了“形状记忆”的实用阶断[1]。

形状记忆合金文献综述

形状记忆合金性能及其应用 摘要:形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以 及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性,使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用,对其本 构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能 材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 关键字:形状记忆合金形状记忆合金效应分类应用 1形状记忆合金简介 1.1 形状记忆材料是指具有形状记忆效应(shape memory effect,简称SME)的材料。形 状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后,再对材料施加适当的 外界条件,材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。通常称有SME的金属材料为形状记忆合金(shape memory alloys,简称SMA)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 1.2 至今为止发现的记忆合金体系: 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、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。 1.3 形状记忆合金的历史只有70多年,开发迄今不过20余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为"神奇的功能材料",其实用价值相当广泛,其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。 2形状记忆合金效应分类 2.1 单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过

形状记忆合金论文

形状记忆合金 摘要:扼要地叙述了形状记忆合金及其机理, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 引言:有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,简称为SMA) ,这种能力亦称为形状记忆效应(Shape Memory Effect , 简称为SME) 。通常,SMA 低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外,这种合金的另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”(又称“超弹性”,英文 pseudoelasticity)行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。 一、形状记忆合金的发展史 最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,

关于形状记忆合金的若干论述

关于形状记忆合金的若干论述 摘要:19世纪70年代,世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。这种记忆合金具有很广阔的应用前景,如今记忆合金已然在交通、医疗、自动化控制等方面有了重要的应用。本文介绍了它的相关概念、微观机理、分类及其在材料学中的地位。 关键字:形状记忆合金;形状记忆效应;功能材料;机理;应用 引言:形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认识,并成为一个独立的学科分支,可以认为是始于1963年。当时美国的海军武器实验室的 W.J.Buchler博土研究小组,在一次偶然的情况下发现,TiNi合金工件因为温度不同,敲击时发出的声音明显不同,这说明该合金的声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究,将这种材料制成的细丝的一端弯曲,并靠近点烟火柴火焰,发现弯曲的细丝伸直了,近等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应,并且报道了通过x射线衍射等实验的研究结果.以后TiNi合金作为商品进入市场。 记忆合金是一种颇为特别的金属条,它极易被弯曲,我们把它放进盛着热水的玻璃缸内,金属条向前冲去;将它放入冷水里,金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里,拉长一个弹簧,把弹簧放入热水中时,弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状,而在热水中,则会收缩,弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩,收缩再拉开。 这些都由一种有记忆力的智能金属做成的,它的微观结构有两种相对稳定的状态,在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状,在较低的温度下合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会记起它原来的形状,而变回去。这种材料就叫做记忆金属。它主要是镍钛合金材料。 一、相关概念:形状记忆效应 一般金属材料收到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,金属就产生塑性变形,应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。当材料加热时,材料的残余形变消失,并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时,形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应,它就像合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金,因此称为形状记忆合金 [1] 形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。通 常把马氏体相变中的高温相叫做母相,或奥氏体 相(P),是一种体心立方晶体结构的CsCl相(又 称B2)。低温相叫做马氏体相(M),是一种低对 称性的单斜晶体结构。从母相到马氏体相的相变 叫做马氏体正相变,或马氏体相变。从马氏体相 到母相的相变叫做马氏体逆相变 [2][3]。 这类相变具有热滞效应。四个相变特征温度分别 为马氏体转变开始温度Ms、终了温度Mf、母相转 变(即逆转变)开始温度As和终了温度Af。热滞 回线间的热滞大小一般为20K~40K[3]。 二、微观机理

形状记忆合金未来展望

形状记忆合金未来展望 一、引言 形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 二、形状记忆合金的发展史与现状 在金属中发现现状记忆效应最早追溯到20世纪30年代。1938年。当时美国的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后,前苏联的Kurdiumov对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应,才开创了“形状记忆”的实用阶断。 1969年,Rsychem公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国

F14 战斗机上;1970年,美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪7 年代,相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金;80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金,由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90 年代至今,高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。 从SMA 的发现至今已有四十余年历史,美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟,同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作,起步较晚,但起点较高。在材料冶金学方面,特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认,在应用开发上也有一些独到的成果。但是,由于研究条件的限制,在SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距,尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。近十年来,我国在SMA的应用和开发方面更是取得了长足进步。现在,我国的SMA产业化进程方兴未艾,国内涌现了一大批以SMA原料及产品为主要生产、经营项目的高科技公司。可以预见,未来几年我国SMA的研究和应用开发将会有令人瞩目的发展,甚至可能出现较大突破。 SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变,这种马氏体一旦形成,就会随着温度下降而继续生长,如果温度上升它又会减少,以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相

高分子形状记忆合金的发展及趋势

高分子形状记忆合金的发展及趋势 摘要:本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 1.形状记忆分子材料的特性 形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 1.1单程记忆效应: 形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 1.2双程记忆效应: 某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。 1.3全程记忆效应: 加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。 2.形状记忆效应的应用 迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类: 2.1.自由回复 SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA) 将Ti2Ni

什么是形状记忆合金

什么是形状记忆合金 有一种记忆方法是形状记忆法,你在运用过这种方法吗?那你有知道什么是形状记忆合金吗?下面和一起来了解什么是形状记忆合金吧,希望对你有帮助! 形状记忆合金的定义形状记忆合金(Shape Memory Alloys,),简称SMA,是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料,即拥有“记忆"效应的合金。在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。 形状记忆合金简介形状记忆合金(shape memory alloy)在临床医疗领域内有着广泛的应用,例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。 形状记忆合金具有形状记忆效应(shape memory effect) ,以记忆合金制成的弹簧为例,把这种弹簧放在热水中,弹簧的长度立即伸长,再放到冷水中,它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可

以控制浴室水管的水温:在热水温度过高时通过"记忆"功能,调节或关闭供水管道,避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保险装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变,启动消防报警装置,达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内,用以保持暖房的温度,当温度过低或过高时,自动开启或关闭暖气的阀门。形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用于各类温度传感器触发器中。 形状记忆合金另一种重要性质是伪弹性(pseudoelasticity,又称超弹性,superelasticity) ,表现为在外力作用下,形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力,即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复[2-3] 。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等[4] 。用形状记忆合金制造的眼镜架,可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏(并不是应用形状记忆效应,发生变形后再加热而恢复) 形状记忆合金应用形状记忆合金由于具有许多优异的性能,因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。 航空航天工业 形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件,欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用

磁性形状记忆合金

二、文献综述 1.磁性形状记忆合金 磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应,同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。磁性形状记忆合金具有很多优良的性能,如:高响应频率、大输出应力,磁致伸缩应变大等1,所以是一种理想的驱动和传感材料。 3. Heusler合金及其结构 Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金,也是现在备受关注的一类功能材料,具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应,有着广泛的应用前景。Heusler合金是1903年,德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性,这两种化合物是Cu2MnAl 和Cu2MnSn。随后,英国人P. Webster 发表了一篇关于高有序度合金(Heusler 合金)的文章10 Heusler合金是一种金属间化合物,通常具有L21性结构,化学分子式为X2YZ,Z则是周期表右边B类IV族,及其两边的III 族和V族的元素。X、Y 可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d 元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素,共有约30个。 Heusler 合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。X 和Y原子占据(A,C)以及B位,Z原子占据D位。其中ABCD的坐标分别为A (0, 0, 0), B ( 1/4,1/41/4 , ), C ( 1/2,1/2 1/2, ) 和D (3/4 3/4,3/4 , ) 图1.Heusler 合金晶体结构示意图 1.2 Heusler合金的结构和开发潜力 Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物,具有立方L21结构,空间

形状记忆合金材料的应用

形状记忆合金材料的性质与应用综述 【摘要】形状记忆合金是一种新型功能材料,在各个领域有着广泛的应用。本文简要介绍了形状记忆合金的特性、应用以及发展前景。 【关键词】形状记忆合金应用发展现状 【引言】形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA),是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年做出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。[3]后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的 Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了科学界与工业界的重视。这种新型功能材料目前已广泛用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术和能源开发等领域。 一、形状记忆合金的分类 1、单程记忆效应:形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 2、双程记忆效应:某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。 3、全程记忆效应:加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。 二、形状记忆合金的特性 1、形状记忆效应:合金在某一温度下受外力而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某一温度,材料会自动回复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种效应称为形状记忆效应。 2、超弹性:在高于A f点、低于M d点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,这种现象称为超弹性。 3、高阻尼特性:形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变,生成大量马氏体变体(结构相同、取向不同),变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低,易于迁移,能有效地衰减振动、冲击等外来的机械能,因此阻尼特性特别好。 4、耐磨性:在形状记忆合金中,Ti-Ni合金在高温(CsCl型体心立方结构)状态下同时具有很好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料,原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件。 5、逆形状记忆特性:将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复,但再加热到高于200oC时却逆向地恢复到变形后的形状,称为逆形状记忆特性。 三、形状记忆合金在各领域的应用 1、医疗方面: Ni-Ti合金是医用生物材料的佼佼者,在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。 [1]如介入疗法,将各类人体腔内支架、经过预压缩变形后,能够经过很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各种狭窄部位,支架扩展后,在人体腔内支撑起狭小的腔道。具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减

形状记忆合金的应用现状与发展趋势

11 Santhanam A T,G odse R V,G rab G P et al.U.S.Patent. 1993(5):250,367 12 Nemeth B J,Santhanam A T,G rab G P.Proceed.10th Plansee Seminar,Plansee A.G.,Reutte/T yrol,1981:613~627 13 Santhanam A T,G rab G P,R olka G A et al.Proceed.con f. on High Productivity Machining-Materials and Processes. New Orleans,La,American S ociety for Metals,1985:113~121 14 Nemeth B J,G rab G P.U.S.Reissue Patent.1993,N o.34, 180 15 D oi H.Proceed.2nd Int.C on f.on the Science of Hard Mate2 rials,Adam Hilger Ltd.Ser.1986(75):489~523 16 Claussen N.Mater.Sci.Eng.1985(71):23~38 17 Wei G C,Becher P F.Am.Ceram.S oc.Bull.1985,64 (2):298~30418 Faber K T,Evans A G.Acta Metall.1983,31(4):565~576 19 N orth B,Baker R D.Int.J.of Refractory Hard Metals. 1984,3(1):46~51 20 Beeghly C W,Shuster A F.Proceed.S oc.of Carbide and T ool Engineers C on f.on Advances in T ool Materials for use in High S peed Machining,Scottsdale,AZ,AS M International, 1987,91~99 21 K ennametal Lathe T ooling Catalog4010.2004 22 Oles E J,Reiner K L,G ates et al.U.S.Patent.2003.6, 599,062 23 Inspektor A,Oles E J,Bauer C E.Int.J.of Refractory Met2 als and Hard Materials.1997(15):49~56 第一作者:M.S.G reen field,博士,美国肯纳金属公司材料总监 (胡红兵译) 收稿日期:2005年4月形状记忆合金的应用现状与发展趋势 肖恩忠 潍坊学院 摘 要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。 关键词:形状记忆合金, 形状记忆效应, 机理, 应用 Application Actuality and Development T rend of Shape Memory Alloy X iao Enzhong Abstract:The general development of the shape mem ory alloy(S M A)is summarized,and its applications in different fields are briefly introduced.Als o,problems in the study of S M A at present are analyzed.Finally,The development foreground and re2 search directions of S M A in the future are pointed out. K eyw ords:shape mem ory alloy, shape mem ory effect, mechanism, application 1 引言 形状记忆合金(Shape Mem ory Alloy,S MA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Mem ory E ffect,S ME)。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 2 形状记忆合金的发展历史与现状 在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年,美国的G reningerh和M oora2 dian在Cu2Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的K urdium ov对这种现象进行了研究。1951年,Chang和Read在Au24715at%Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart在In2T i合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的T i2Ni合金具有优良的形状记忆功能,

形状记忆材料

形状记忆材料 一、材料简介 形状记忆材料是指具有形状记忆效应的工程材料,是一种智能型多功能材料,集敏感和驱动功能于一体,输入热量就可对外做功。在各工程技术、医学领域有着广阔的应用前景。 该材料是具有一定形状的固体在一定条件下经一定塑性变形后,当加热至一定温度时又可完全恢复至原形状的新型材料。即它能记忆母象的形状,具有SME 的合金,称为记忆合金(SMA)。 形状记忆效应是1951年美国Read等人在AUCD合金中首先发现的,1953年在 R8-合金中也发现了同样现象,但当时并没有过多的引人注目。直到1964年美国Buehler等人在Ti-Ni合金中发现形状记忆效应后,该新型材料才受到世界瞩目,科学家们才逐步开展起对它的研发和利用。20世纪60年代中期出现了Ti-Ni合金制造的人造卫星天线和能量转换热机。1970年在形状记忆合金历史上有两项重大突破:一是Ti-Ni合金管接头在F14飞机油压管路连接上大量应用,这是形状记忆合金的第一个批量产品;二是日本大阪大学清水和大塚对所发现的形状记忆合金进行综合研究后发现这些合金有共性:它们都有热弹性马氏体相变。 形状记忆合金的制造一般需要熔铸、加工、成形、形状记忆处理等几大步骤。形状记忆高分子的制法与普通高分子的制法基本相同,既可以采用浇注法直接制得制品,也可以采用双螺杆挤出机,先制得粒料然后再注射成型。对于热塑性的形状记忆高分子多采用先制成粒料再成型的方法。成型前粒料必须除去水分,否则会使物性下降,外观变差。对于热固性的形状记忆高分子则多采用浇注法、固化脱模后硫化即得具有“原始形状”的制品,再经二次成型得形状记忆高分子。 制造工艺图如下: 铸锭均匀化热锻热轧 热旋热拉最终热处理 中间退火冷拉

浅谈形状记忆合金材料

浅谈形状记忆合金材料 引言:时代的发展与材料的发展是相辅相成的。随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。现如今材料的研究越来越专业化,并且逐渐倾向于功能化、多样性。例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。 一、形状记忆合金及形状记忆效应 形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。 1、形状记忆合金分类 到目前为止,被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu 基与Fe基三种。在这三大类中,根据不同的要求和工作环境,分别在基体中加入和调整一些合金元素的量,使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来,应用在各行各业,以满足各种不同的特殊需求。

(a)Ti-Ni形状记忆合金开发的最早,形状记忆效应最稳定, 相对比较成熟,已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵,且加工成本 高等因素,其应用受到限制。 (b)Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类,但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和 Cu-Al-Ni两种。 (c)Fe基形状记忆合金发展较晚,成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多,易于加工,在应用方面具有明显的竞争优势,被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料,受到广泛的关注。 2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件 (a)马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型,即马氏体与母 相之间的界面的移动是完全可逆的 (b)合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构 (c)马氏体相变在晶体学上是完全可逆的 3、状记忆效应的分类 (a)单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 (b)双程记忆效应

形状记忆合金在医学上的应用

论文名: 形状忆合金在医学上的应用 学院:材料与化工学院 专业:金属材料工程 班级: 学号: 姓名:

内容摘要形状记忆合金的研究是近几年工程技术界颇为关注的一项 高新尖技术,其在航空航天、机械电子、工程建筑、医学医疗等相关领域已取得了一些应用性研究成果.本文介绍了形状记忆合金特点、功能、以及在现代医学中的研究与应用的现状与发展趋势. 关键词形状记忆合金医学领域 1.前言 在人类文明发展史上,材料是科学技术进步的重要支柱,也是社会进步的物质基础。在科技日新月异的今天,新材料更是高科技发展的先导。形状记忆合金正是新科技领域的一朵奇葩,正在灿烂的绽放。 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为"神奇的功能材料"。 1963年,美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现,在高于室温较多的某温度范围内,把一种镍-钛合金丝烧成弹簧,然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状,再放在40 ℃以上的热水中,该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现,某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度;在这一温度以上将该合金加工成一定的形状,然后将其冷却到转变温度以下,人为地改变其形状后再加热到转变温度以上,该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。 1969年,镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接,选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金,在高于其转变温度的条件下,做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用),然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时,接头就自动收缩而扣紧被接管道,形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钦合金接头,从未发生过漏油、脱落或破损事故。 1969年7月20日,美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印,并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢?就是用一种形状记忆合金材料,先在其转变温度以上按预定要求做好,然后降低温度把它压成一团,装进登月舱带上天去。放置于月球后,在阳光照射下,达到该合金的转变温度,天线“记”起了自己的本来面貌,变成一个巨大的半球。科学家在镍-钛合金中添加其他元素,进一步研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金;除此以外还有其他种类的形状记忆合金,如:铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。 而今形状记忆合金以应用到我们生活的各个领域,正在改变着我们的生活。

相关主题
相关文档 最新文档