Ti-Ni基形状记忆合金的发展及应用
青岛理工大学·土木工程学院·侯昭兵
摘要：形状记忆合金是现代一种新型功能材料,本文介绍了Ti-Ni基记忆合金的的相关重要概念，并且详细介绍了Ti-Ni基合金的相变与性能特点及其影响因素，同时对其应用做了一定的描述。综述了Ti-Ni基形状记忆合金最近的基础研究和应用研究进展，对Ti-Ni基形状记忆合金的马氏体相变以及Ti-Ni基高温形状记忆合金、Ti-Ni基形状记忆合金薄膜、Ti-Ni基复合材料以及Ti-Ni基形状记忆合金在航空航天等领域的应用进行了评述和归纳，结合Ti-Ni基形状记忆合金材料和应用研究取得的新进展，总结出目前其主要研究重点在于阐明其马氏体相变机理，提高形状记忆效应，改善高温形状记忆合金的冷热加工性能以及其工程和生物医学应用等方面认为多功能化，稳定化和集成化是当前Ti-Ni基形状记忆合金研究的主要发展趋势，最后展望了Ti-Ni基形状记忆合金的发展前景。
关键词：形状记忆合金、马氏体相变、高温形状记忆效应、影响、应用
1 前言
形状记忆合金是70年代开发韵新型功能材料，其中Ti-Ni合金具有优异的形状记忆特性和超弹性性能，同时还呈现出良好的阻尼特性、耐腐蚀性和生物相容性等，在航天航空、机械、能源、电子、医学和日常生活等领域都获得了广泛的应用[1]。该设备已在航空航天，仪器仪表，控温仪器和及应用在医疗设备上，在能源行业也有很大的应用潜力。新型形状记忆材料和一些新的用途不断在不断的发展和探索中。形状记忆合金和陶瓷基形状记忆材料的制成，通过逆马氏体相变的形状记忆效应导致的晶型变化。目前总结前辈的工作的基础上，对形状记忆效应的机制做一些理论的分析，并由此为未来的形状记忆合金做出科学的设计思路。Ti-Ni形状记忆合金在医学领域的使用在提高人类生活质量方面发挥了巨大的作用。然而，钛合金植入人体后，在体液中不可避免地会发生腐蚀。腐蚀不仅会降低金属材料的力学和机械性能，甚至会导致值入失效，而且，溶入体液的Al、V、Ni离子对周围组织会产生一定的副作用，严重的则引发组织病变或癌变[2]。因此，医用材料的耐蚀性研究对于保障其在人体的安全使用具有十分重要的现实意义。在形状记忆合金研究方面所发表的论文数很快跃居马氏体相变研究领域之最。不仅如此，形状记忆合金在工业界也开始受到了极大的重视。形状记忆合金在应用开发中申请的专利已逾万件。在市场上付诸实际应用的例子已有上百种。应用所涉及的领域极其广泛，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电以及日常生活用品等，几乎涉及产业界的所有领域。
2 相关概念
2.1 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[3]。
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，是一种体心立方晶体结构的（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。从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变[1][2]。
马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶体结构完全回复到母相状态。晶格位向也完全回复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在产生热弹性马氏体相变的合金中。
2.2 热弹性马氏体相变(Thermoelastic Martensitic Transformation)
在金属的马氏体相变中，根据马氏体相变和逆相变的温度滞后大小(即As～Ms)和马氏体的长大方式大致分为热弹性马氏体相变和非热弹性马氏体相变。
普通铁碳合金的马氏体相变为非热弹性马氏体相变。其相变温度滞后非常大，约为几百度。各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终大小，且不会因温度降低而再长大，相变过程是以在未相变的母相领域内生成新的马氏体的形式进行。
形状记忆合金的马氏体相变属于热弹性马氏体相变（但具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应[4]）。其相变温度滞后比非热弹性马氏体相变小一个数量级以上，有的形状记忆合金只有几度的温度滞后。冷却过程中形成的马氏体会随着温度的变化而继续长大或收缩，母相和马氏体相的相界面表现出弹性式的相界面推移，在相变的全过程中一直保持着良好的协调性。
2.3 马氏体变体
当形状记忆合金被冷却到相变温度Ms以下时，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但在晶体学上是等价的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体。马氏体变体一般存在24个。在各个马氏体变体生成时都伴随有形状变化，在合金的局部产生凹凸．但是作为整体，在相变前后其形状并不发生改变，这是因为若干个马氏体变体组成菱形状片群。如图3－3所示[4]。或组成三用锥状片群。它们互相抵消了生成时产生的形状变化，这样的马氏体生成方式被叫做自协作
马氏体自协作形貌示意图
如果存在有外部应力或内部应力，特定的马氏体变体。或者说相对于应力处于最有利位向的马氏体变体就会优先生成。这时，合金的整体将会表现出宏观的形状变化。马氏体变体在相变过程中的自协作是形状记忆效应的重要机制。
2.4 应力诱发马氏体相变
形状记忆合金在外部应力作用下，由于诱发产生马氏体相变而导致合金的宏观变形，是剪切变形。这和滑移变形、孪生变形一样，也是合金的一种变形模式。这种由外部应力诱发产生的马氏体相变叫应力诱发马氏体相变。
当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变形的临界应力，即使在Ms温度之上也会发生应力诱发马氏体相变。也就是说，外部应力使相变温度上升。
形状记忆合金在A f温度点以上产生应力诱发马氏体相变，一般会表现出相变伪弹性效应。但是，应力诱发马氏体相变并非都会产生相变伪弹性效应。
3 Ti-Ni基合金形状记忆性能的影响因素
3.1 热处理工艺对形状记忆效应的影响
对比研究了冷加工+热处理对不同 Ni含量的 Ti-Ni合金相变的影响。结果表明: 热处理温度不同,加热和冷却过程中发生的相变可以分为3种情况
低温热处理:冷却时发生B2yRyM相变,加热时发生MyRy B2相变；
中温热处理: 冷却时相变类型同上,而加热时发生MyB2相变, R相再出现；
高温热处理:冷却时发生B2yM相变,而加热则发生My B2 相变。随 Ni含量的增加, 加热时 R相出现的温度范围变得宽且清晰。另外,R相温度对热处理的依赖也变强。样品在低温热处理时, R相变峰独立于逆相变非常明显。而在933 K热处理时, 随Ni含量的增加, Ms温度显著降低。就此温度而言, 由于冷加工存在一个强的残余应力, R相变温度大概在330K,几乎不受Ni含量的影响。
Ti-Ni二元系形状记忆合金除具有良好的 SME和SE特性外,还具有丰富的相变行为。贺志荣用DSC和部分热循环分析法研究350~ 800 e 退火态和 300~ 500 e 时效态Ti2(501225018)Ni形状记忆合金多阶段可逆相变的类型及其演化过程。研究表明,上述Ti-NiSMA在两种热处理条件下,可以发生 R和M两种可逆相变,一种相变可以一阶段完成, 也可以多阶段完成。时效态合金的相变比退火态复杂, 时效温度越低相变越复杂。同时, 该研究也证实了相变类型强烈地依赖于热处理工艺, 并揭示了部分热循环法是确定正、逆相变峰对应关系、分析多阶段可逆相变演化过程的有效方法。
3.2 合金成分对形状记忆效应的影响
合金元素对 Ti-Ni合金的相变温度有显著的影响。Pd、Au、Hf等可提高合金的相变温度,而Fe、Al、Cr、Co、V等可降低合金的相变温度。Co不影响T i2N合金的相变类型, 但降低其相变温度。以 Co分别取代等量 Ti和 Ni后对相变的影响效果不同。若用 HM表示M相变峰温度,则以 110Co取代等量 Ti和 Ni后,HM 分别降低了 109 e 和22 e 。可见 Co取代 Ti对相变的影响程度是 Co取代 Ni的 5倍,原因是 Ti为升高Ti-Ni合金相变温度的元素, 而 Ni和 Co是降低该合金相变温度的元素, 因此 Co取代等量 Ti后会造成相对较大的相变温度落差。
对比研究了以少量 V和 Cr取代 Ti后,对Ti-Ni超弹性合金相变和形变特性的影响。结果发现,V和 Cr的加入,降低了Ti-Ni合金的 R、M相变温度,这使得在室温下获得 SE特性变得更加容易。加入0.13% Cr后,相变类型和$HR基本不变;但是HR、HM大幅度降低。500 e 退火后,加入015% V后,HM将为- 59 e 。与其相比,加入Cr后的HM 由- 47e降至-127e,约为前者的2倍。
3.3 固溶、时效处理
对比研究了不同热处理方式对Ti25018Ni合金相变温度的影响。结果表明:固溶处理后合金 Af值随热处理温度升高, 变化为 20 e 左右。固溶+时效处理后,随时效时间延长, Af值有上升,但变化不大。谢庆峰等对固溶后的Ti25018Ni合金进行了时效处理结果发现, Af值可下降20~ 30 e左右 ,而 Ms变化不大。另外, 通过适当的热处理工艺可以调节 Ti-NiSMA的相变温度, 在 300~ 500 e 时效处理保温时间越短,Af温度降低越明显在相同保温时间时,温度越低,Af温度降低越明显。
不同固溶处理温度、时间,其相变过程基本类似,对合金的Af 几乎没有影响。杨宏进等对Ti2xN(x= 4919, 5010, 5011) 012mm的原板材经800 e ,@15min水冷,800e@30min 水冷及900e@30min水冷处理,用 DSC测得合金的 Af值均接近 80 e,验证了上述结论。时效处理仅对Ni含量大于5016% 的合金相变温度及 SME产生影响。400~ 500e时效析出Ti3Ni4 粒子,约束应力使得 Ti3Ni4 产生择优取向,引起双程记忆效应。约束时效后, 相变温度 Af值明显升高,时间越长,Af越高。
固溶、时效及热循环对富镍ＴｉＮｉ合金相变及形状记忆效应的影响。结果表明，
固溶及５５０℃以上温度时效，在升降温中只发生马氏体相（Ｍ）和母相的可逆相变，热循环可获得Ｒ相（菱面晶结构）相变，而３５０～５００℃时放出现Ｒ相变。随时效温度升高，马氏体相变开始温度（Ｍｓ）、Ｒ相变开始温度（Ｍｓ＇）、马氏体逆转变为母相的开始温度（Ａｓ）呈先升后降的趋势，并在４００～４５０℃有最大值。其形状恢复率是固溶处理的小于时效处理的，而在３５０～５５０℃时效形状恢复率较高，且高于经同样固溶及时效工艺处理的富钛ＴｉＮｉ合金。
3.4 应变状态
近年来,人们开始转入对预应变 Ti-Ni SMA的逆相变行为。在小应变条件下, As点的升高是由于预应变释放了马氏体的弹性应变能,大应变条件下 As点的升高是由于缺陷阻碍的结果。通过研究发现冷轧 Ti-Ni形状记忆合金的马氏体逆相变开始温度As随着冷轧度的增加而升高,并认为其主要机制是冷轧形成的位错、空位等缺陷阻碍了马氏体逆转变。
Ti-Ni合金经过适当的热处理后, 可以获得优良的 SME和 SE特性, 同时也可以获得较好的耐磨性能。
3.4.1 SME和 SE及其影响因素
Ti-Ni二元合金的相变行为和 SME特性强烈地依赖于 Ni含量、热处理工艺。研究表明 , Ti-Ni合金要在室温下完全获得 SME,M相变结束温度 (Mf)应在室温以上, 故合金的 Ni含量应小于 5010%。研究发现, Ti-Ni合金在 673~ 773 K温度范围内退火后, SME特性良好, 当退火温度高于 823 K时,SME恶化。这是因为退火温度过高时, 合金的屈服强度将降低,故对 SME特性不利.
合金成分、热处理、加工状态等对 Ti-Ni的 SE 特性有着重要的影响.Ti-Ni合金的 SE特性与 Ni含量有很大关系,且近等原子比和富镍T i2N合金的 SE特性要优于贫镍 Ti-Ni合金。文献也表明了合金元素如 V和 Cr加入后会使合金更容易地获得 SE。另外, O、N元素的加入会降低合金的相变温度,恶化合金的 SME、SE。
应强调的是,由于 Ti-Ni合金的 SME、SE受多种因素影响,因此在实际中,需综合考虑合金成分、加工状态、热处理以及其它工艺因素。
3.4.2 耐磨性及其影响因素
与典型的耐磨材料相比, Ti-Ni合金的硬度较低,但其耐磨性非常优良,甚至超过普通耐磨材料。研究发现, Ti-Ni合金优异的摩擦性能主要来源于合金的相变超弹性,另外其良好的应变硬化效应、热硬性、耐腐蚀等特性也有助于合金的耐磨性。
对不同 Ni含量的 Ti-NiSMA的抗磨损性能进行了研究。结果表明: Ti-Ni SMA的抗磨损性能主要取决于合金的硬度和相组成。对于相组成为B+ M的 Ti-Ni合金来说, 其硬度的大小取决于 B相含量, B相含量越高,合金的硬度越高,而对于含马氏体相的合金来说其硬度变化又受到 Ni含量的强烈影响。在干摩擦条件下, 含单一 B相合金的抗磨损量是单相马氏体合金的5倍左右。
研究表明: 经此工艺及退火处理后的 Ti-Ni合金由于发生了严重的塑性变形,导致晶粒细化,从而提高了合金抗塑性变形的能力,改善了合金的耐磨性。
4 Ti-Ni基记忆合金的性质及特点
近等原子比的Ti-Ni基记忆合金是最早得到应用的一种记忆合金。由于其具有优异的形状忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。
Ti-Ni基记忆合金的相变温度对成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就会引起相变温度降低10℃，添加的第三元素对Ti-Ni 合金相变温度的影响也很大。具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性；
研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料，是目前应用最为广泛的形状记忆材料。
Ti-Ni基记忆合金的特点：
a)机械性质十分优良，能恢复的形变可高达10％（一般金属材料＜0.1％）；
b)加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa；
c)无通常金属呈现的“疲劳断裂”现象；
d)可感受温度、外力变化并通过调整内部结构来适应外界条件——对环境刺激
的自适应性。
5 Ti-Ni基记忆合金的应用
Ti-Ni基记忆合金的应用已遍及航空、航天、机械、电子、能源、医学以及日常生活中。
在航天、航空方面将TiNi合金丝在母相状态下制成天线后，冷至低温使其转变为较软的马氏体，折叠成体积很小的团状。待进入太空后，被弹出，在受太阳光辐射升温，温度高于Af后，团状天线便自动展开，恢复其母相的形状即工作状态。
在电子及机械工程方面应用有管接头、紧固圈、连接套管、紧固铆钉等。
优点：夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；
适于不易焊接的接头，如严禁明火的管道连接、焊接工艺难以进行的海底输油管道修补等；金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；安装时不需要熟练的技术。
在工程和建筑领域用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。
在生物医学方面，血栓过滤器：将马氏体状态的NiTi合金丝通过导管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打碎，并阻止其流向心脏。人工心肌纤维：将NiTi丝包裹在弹性体制成的人工心脏外部，
周期性地给以电脉冲加热，则可使心脏伸缩运动。
在日常生活方面电加热水壶的手柄控制器、暖气阀门、防烫伤阀、空调调节器、电冰箱自动开关、高温报警装置等。
特点：结构简单、可靠性高、成本低。
6.Ti-Ni基形状记忆合金的发展前景
7 结束语
Ti-Ni形状记忆合金及其工程应用研究虽然已经取得了很大进展,但由于它的跨学科复杂性,许多工作尚有待于进一步研究。
SMA薄膜及多孔材料具有很大的应用前景,综合研究合金成分、热处理工艺、加工状态、热循环及应力循环对 SMA相关特性的影响, 具有很重要的理论和实际意义。
由于 SMA是集感应和驱动为一体的智能材料,深入研究其响应时间与温度、应力、合金成分的关系,提出适合工程应用的结构模型。
SMA和其它材料一样, 也具有疲劳特性, 深入研究与 SMA疲劳特性有关的因素, 通过添加合金元素或研究新的加工工艺,进而达到调整合金的硬度,这对改善 Ti-Ni合金的综合力学性能有着重要的作用。
在某些特定场合下, 由于受周期性的循环应力, SMA的形状记忆特性会随循环次数的增加而衰减,甚至产生疲劳断裂。因此进一步研究如何提高SMA的疲劳特性就显得尤为重要。
为适应不同工程领域的实际需求,进一步研究SMA在与其它材料复合时的连接效能问题, 并深入研究加载频率、应力状况、相组成、温度等对合金使用效能的影响,从而提高合金的工程应用周期。
由于受 SMA的加工技术及价格的影响, 目前的研究成果大部分是基于小尺寸、丝材或薄膜态SMA作为试验材料,而且也仅限于对简单的工程结构进行控制分析,因此研制大尺寸 SMA在土木、桥梁等大型工程方面的应用以及尺寸效应对合金性能的影响显得相当重要。
参考文献
[1]蔡伟，孟祥龙等．Ti-Ni基高温形状记忆合金的马氏体相变与形状记忆效应[J]．中国材料进展，2012，
31（12）：40-47
[2]田博．医用钛基合金的表面改性及生物相容性研究[D]．贵州大学，2007
[3]郭卫红，汪济奎．现代功能材料及其应用．化学工业出版社，2002．8
[4]殷景华，王雅珍，鞠刚主编．功能材料概论．哈尔滨工业大学出版社，1999．8
[5]赵连城，蔡伟，郑玉峰．合金的形状记忆效应与超弹性．国防工业出版社，2002．1
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 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 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，
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
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
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
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,
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。
形状记忆合金发展及应用 摘要：形状记忆效应自20世纪30年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，被人们誉为“神奇的功能材料”，本文主要介绍了形状记忆合金合金的发展及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。 关键字：形状记忆合金各领域应用发展趋势 引言：形状记忆合金（shape memory alloy，缩写为SMA）作为一种新型功能性材料，其最显著的特性是形状记忆效应，1932年由Olander在研究AuCd合金时首次发现，随后引起了人们的广泛重视，并由此开始了广泛研究和应用。随着人们逐渐发现形状记忆合金的一些重要特性，如超弹性效应、弹性模量温度变化特性和良好的阻尼性能等。正是这些显著的性能使得形状记忆合金被广泛地应用和研究，应用领域涉及电子、机械、运输、化学、医辽、能源、航天与土木工程等领域。 一、形状记忆效应的发现 1932年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应。最早关于形状记忆合金效应的报道是有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,才引起了材料科学界与工业界的重视 二、记忆效应的分类 （一）单程记忆效应 形状记忆合金在较低温度下变形,较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。 （二）双程记忆效应 某些合金加热是恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。
（三）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。 三、形状记忆合金在各领域的应用 （一）航空航天工业方面 形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。由于天线体积庞大，运载上月球很不方便，人们在一定温度环境下用形状记忆合金制成抛物面天线，再在低温下把它压缩成一个直径5厘米以下的小团，使它的体积缩小到只有原先的千分之一，放入登月小艇的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。 （二）生物医疗方面 TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。在现有的实用记忆合金中只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内,其中仅合金满足使用条件是目前医学上主要使用的记忆合金在医学上合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝外科中用的各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等现在在血管扩张元件中也应用了形状记忆合金。 （三）其他方面 1、眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配合金可使人感到舒适并抗磨损,由于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合金丝做眼睛框架,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行。 2、桥梁结构振动控制 记忆合金可用于桥梁被动控制及主动控制、拉索振动控制。对于目前桥梁结构振动控制，合理、有效、安全与经济的抗震途径是采用桥梁减震、隔震新技术，通过设置隔震器和阻尼器，达到增加结构延性、降低结构振动反应和消耗地震能量，把桥梁的变形限制在弹性范围内。对于桥梁结构的隔震体系，不仅要提供附
形状记忆合金及应用 XXX （化学化工学院材料化学材料化学1001） 摘要形状记忆效应自20世纪30年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，本文扼要地叙述了形状记忆合金及其机理以及在一些领域的应用。 关键词形状记忆合金原理应用 Abstract The shape memory effect since the 1930s reported gradually get people's attention and application, this paper briefly describes the application of shape memory alloy and its mechanism, and in some areas. Key words Shape memory alloys Principle Application 1.引言 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。形状记忆合金是一类具有形状记忆性能的合金, 其主要特征是具有形状记忆效应（SME）[1]。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Ni-Ti合金和铜基合金( CuZnAl 和CuAlNi) 。 2.SMA 2.1 发现历史 形状记忆效应是张禄经和Read在1951年在AuCd合金中最早观察到的[2], 直到1963年Buehler的课题组在Ni-Ti合金中发现了类似的形状记忆效应之后[3],才真正引起很多科学家的重视。 2.2 晶体学特性 SME 的本质是合金中的热弹性马氏体相变[4]。马氏体相变发生的能量条件是马氏体的化学自由能必须比母相的低。也就是说,只有当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度T0以下适当温度Ms 时,马氏体将长大,直到热化学自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时,马氏体的生长过程才告结束。同样,只有当马氏体过热到T0以上温度As 时, 在相变驱动力作用下, 马氏体缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体的长大或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制约的相变称为“热弹性马氏体相变”。相变并不是发生在某一温度点, 而是一个温度范围, 不同的合金系具有不同的温度范围。 图1 相变温度曲线 图( 1) 显示了相变特性及相变循环中的关键点, 其中Ms, Mf为马氏体相变的开始和结束时的温度, As,Af为逆相变的起始和结束温度,人们通常用相变温度Af表征合金的特性。多数的合金, 相变发生在较窄的温度范围内, 而且伴随着滞后现象,以致加热与冷却的转变过
摘要：形状记忆效应自世纪年代报道以来逐步得到人们地重视并加以应用，被人们誉为“神奇地功能材料”，本文主要介绍了形状记忆合金合金地发展及其在许多领域地应用以及未来地一些发展趋势. 关键字：形状记忆合金各领域应用发展趋势 引言：形状记忆合金（，缩写为）作为一种新型功能性材料，其最显著地特性是形状记忆效应，年由在研究合金时首次发现，随后引起了人们地广泛重视，并由此开始了广泛研究和应用.随着人们逐渐发现形状记忆合金地一些重要特性，如超弹性效应、弹性模量温度变化特性和良好地阻尼性能等.正是这些显著地性能使得形状记忆合金被广泛地应用和研究，应用领域涉及电子、机械、运输、化学、医辽、能源、航天与土木工程等领域.资料个人收集整理，勿做商业用途 形状记忆效应地发现 年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应.最早关于形状记忆合金效应地报道是有及等人在年作出地.他们观察到合金中相变地可逆性.后来在合金中也发现了同样地现象.但当时并未引起人们地广泛注意.直到年及其合作者在等原子比地合金中观察到具有宏观形状变化地记忆效应,才引起了材料科学界与工业界地重视资料个人收集整理，勿做商业用途 记忆效应地分类 （一）单程记忆效应 形状记忆合金在较低温度下变形,较热后可恢复变形前地形状,这种只在加热过程中存在地形状记忆现象称为单程记忆效应.资料个人收集整理，勿做商业用途 （二）双程记忆效应 某些合金加热是恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应. （三）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地低温相形状,称为全程记忆效应.三、形状记忆合金在各领域地应用 （一）航空航天工业方面 形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘地月球天线.由于天线体积庞大，运载上月球很不方便，人们在一定温度环境下用形状记忆合金制成抛物面天线，再在低温下把它压缩成一个直径厘米以下地小团，使它地体积缩小到只有原先地千分之一，放入登月小艇地舱内，在月面上经太阳光地照射加热使它恢复到原来地抛物面形状.这样就能用空间有限地火箭舱运送体积庞大地天线了. 资料个人收集整理，勿做商业用途 （二）生物医疗方面 合金地生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性地医学实例相当多.如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等.在现有地实用记忆合金中只有与生物体接触后会形成稳定性很强地钝化膜地合金才可以植入生物体内,其中仅合金满足使用条件是目前医学上主要使用地记忆合金在医学上合金应用较广地有口腔牙齿矫形丝外科中用地各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等现在在血管扩张元件中也应用了形状记忆合金.资料个人收集整理，勿做商业用途 （三）其他方面 、眼镜框架 在眼镜框架地鼻梁和耳部装配合金可使人感到舒适并抗磨损,由于合金所具有地柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界用超弹性合金丝做眼睛框架,即使镜片热膨胀,该形状记忆合金丝也能靠超弹性地恒定力夹牢镜片这些超弹性合金制造地眼镜框架地变形能力很大而普通地眼镜框则不行.资料个人收集整理，勿做商业用途 、桥梁结构振动控制
形状记忆合金性能及其应用综述 引言：形状记忆合金形状记忆效应、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。本文综合了自1971年以来国内外众多科学家对形状记忆合金做出的各方面的研究，并做出简要评价，提出自己的看法和本课题研究内容，为对形状记忆合金的应用研究提供一定参考。 国内外研究现状： 1、SMA材料种类研究现状 自上个世纪30年代人们发现Au-Cd合金具有记忆效应以来，进过几十年的研究，发现的形状记忆合金按相变特征类，可分成如下几个系列[1]： 1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金 1) TiNi系列，发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。 2) β铜基合金系，包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’（2H）或单斜β1’（18R1）, γ1’—单斜β1”（18R2），β1”--单斜α1, β1’--单斜α1相变（视应力大小而定）；Cu-Zn-Al-X（Cu-Zn-Al-X，X=Mn或Ni等），发生体心立方（β2、DO3或Lα1）--单斜9R或18R相变；其它，如Cu-Zu和Cu-Zn-X （X=Si、Sn、Au等）。 3）其它有色合金系，包括：Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al等。 4) Fe3Pt（γ—α’，γ—fct）和Fe-30at%Pd（γ—fct）。 5) Fe-Ni-Co-Ti系，发生时效γ一薄片状α’(bcc和bct)马氏体相变，如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(3~4)Ti-Al等。 2、由非热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金 1) Fe-MIn-Si系，发生γ一六方ε相变，包括Fe-30Mn-1Si(单晶)、Fe-（28~33）Mn-(4~6)Si、Fe-Mn-Si-Ni-Cr、Fe-14Mn-6Si-5Ni-9Cr、Fe-20Mn-5Si-5Ni-8Cr、Fe-Mn-Si-9C、Fe-8Mn-6Si-6Ni-13Cr- 12Co等。 2) Fe-Ni-C系，发生γ一薄片状α’马氏体相变，如Fe-3INi-0.4C 和Fe-（26~28）Ni-12Co-4Al-0.4C。 其中Ni-Ti基合金的形状记忆效应最佳，是重要的形状记忆材料。Ni—Ti中具有多种相变：无公度相变、R相变(马氏体型)、马氏体相变、沉淀。 2形状记忆合金性能研究现状 虽然早在上个世纪30年代，人们就发现了一些合金的形状记忆效应，但是直到70年代muller等人提出SMA材料的本构关系模型以来，有关形状记忆合金的机理和本构模型的研究才取得了一定的进展[2]。SMA的模型可大致分为三类：微观热力学模型、宏观现象学模型和基于微观力学的宏观模型。 微观热力学模型有助于了解材料宏观特性的微观机理，揭示SMA的物理本质。微观热力学模型主要有从相界运动的动力学角度给出的本构模型和以能量耗散理论为依据的细观力学模型。Patoor[3]等人首先从微观角度研究了SMA的本构
形状记忆合金的研究现状及应用特点 摘要：简述了形状记忆合金的发展概况,介绍了形状记忆效应及其特性. 综述了形状记忆合金材料的研究现状、发展趋势及应用特点。 关键词：形状记忆合金形状记忆效应超弹性 引言：形状记忆合金( Shape Memory Alloys , 简称SMA) 是一类具有形状记 忆性能的合金,其主要特征是具有形状记忆效应[1 ] 。作为一种新型的功能材料,形状记忆合金在理论研究方面,国内外已做了大量工作,但有关SMA 的疲劳性能研究成果甚少,寿命预测及安全估计成为主要困难。为了更好地研究和使用,作者对以往的Ni Ti 合金的研究现状和疲劳测试概况进行综述和讨论。 一、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,这种合金称为形状记忆合金(Shape memory Alloy , SMA) ,所具的回复原始形状的能力,称为形状记忆效应(Shape Mem2ory Effect ,SME) 。形状记忆效应与马氏体相变和逆相变等密切相关,为此定义了各相关的温度点。当冷却时马氏体相变开始温度为Ms 点,终了温度为Mf 点.。当加热时马氏体逆相变开始温度为As点,终了温度为Af 点。应力诱发马氏体相变的上限为Md 点。参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氏体相。形状回复驱动力是在加热温度下,母相与马氏体相的自由能之差。但是,为了使形状恢复完全,马氏体相变必须是晶体学上可逆的热弹性马氏体相变。 二、形状记忆合金材料的研究现状 至今为止已经研究、开发出十几种记忆合金 体系. 包括Ag - Cd、Au - Cd、Cu - Al - Ni 、Cu - Al- Be 、Cu - Au - Zn、Cu - Sn、Cu - Zn、Cu - Zn - X(X= Si 、Sn、Al 、Ga) 、In - Ti 、Ni - Al 、Ti - Ni 、Fe -Pt 、Fe - Pd、Mn - Cu、Ti - Ni - Nb、Ti - Ni - X(X= Hf 、Pd、Pt 、Au、Zr) 、Ni - Mn - Ga 、Ni - Al - Mn、Ni - Co - Al 、Co - Mn、Co - Ni 、Co - Ni - Ga 、和Fe -Mn - Si 等。 Ti - Ni 合金以其优良的形状记忆效应和超弹性、耐磨性、耐腐蚀性以及良好的生物相容性,成为实用化程度最高的合金系列。随着微机电系统(MEMS) 对新型驱动元件的需要、溅射和微加工技术的迅速发展, Ti - Ni 形状记忆合金薄膜得到了广泛的研究。究形状记忆合金薄膜材料的工艺与组织和性能之间的关系、开发材料性能的测试方法与设备、测量和积累性能的基础数据、研制新型的性能优异的复合梯度薄膜、拓宽薄膜的应用范围等已成为形状记忆合金薄膜研究的前沿课题。i - Ni 合金加工较难,价格昂贵,相变温度相对较低. 针对Ni - Ti 合金应用实际,加入第三组元素,以改善性能,降低成本的三元Ni - Ti合金研究受到广泛关注,典型合金为Ni - Ti -Cu。 Cu 基合金是另一种实用性较强的形状记忆合金,主要可分为Cu - Zn 和Cu - Al 两大类,其中最具开发价值的是Cu - Zn - Al 系和Cu - Al - Ni系。与Ti - Ni 合金相比,Cu 基合金价格低廉(成本为Ti - Ni 合金的1P10～1P5) [13 ] ,容易加工,但在实用过程中发现,Cu - Zn - Al 系合金存在疲劳强度低、易发生晶界破坏、高于100 ℃时热稳定性差等问题. 通过添加微量复合稀土能使晶粒细
2004年11月第10卷第4期 安庆师范学院学报(自然科学版) J ourna l of Anq ing Te a che rs Co lle ge(Na tura l S c ie nce) Nov.2004 Vo l.10NO.4 Ξ ΞΞ 形状记忆合金及其应用 吴根华 (安庆师范学院化学与环境科学学院, 安徽安庆 246011) 摘 要:形状记忆合金是近几十年发展起来的一种新型功能材料。本文对N i2T i基合金、Cu基合金和Fe基 合金的分类、记忆机理、记忆性能以及它们在不同领域的应用进行了评述,并展望了其应用前景。 关键词:形状记忆合金;形状记忆效应;N i2T i基合金;Cu基合金;Fe基合金 中图分类号:TB381 文献标识码:A 文章编号:1007-4260(2004)04-0020-04 形状记忆合金(Shap e M e m o ry A ll oy,简称S M A)是一种具有形状记忆效应,能感知温度和位移,并能将热能转换成机械能的新型功能材料。1951年美国的L ead首先在A u2Cd、In2T i合金中发现形状记忆效应(S M E),他利用A u247.5%Cd合金的记忆效应制作升降机模型,但由于合金元素价格高、有毒,没有进行实用化尝试而销声匿迹。1963年美国海军研究所的W.B ueher等人发现N i2T i合金也有形状记忆效应,并设计了新的机械实验装置,受到许多研究者的关注。1969年美国R ayche m公司生产T i2N i2Fe记忆合金管接头用于F14战斗机上的液压管路系统连接。这是S M A第一次成功应用。70年代以后S M A真正进入实用化阶段。至80年代末S M A的研究才遍及世界。90年代初,该合金得到进一步的发展,现已出现第三代形状记忆合金,且进入商品化阶段。本文简要介绍S M A的形状记忆机理、研究现状和应用情况。 1S M A的形状记忆机理 S M A经高温加热后骤冷获得以马氏体(M a rten site)为主的不平衡组织,这种结构组织由于马氏体相对称性差且相界面容易移动,所以较容易使移动路径调转方向往回走,发生向有序晶格逆转,也使其外形恢复到原先的状态,即发生形状记忆效应,这种相变称为热弹性型马氏体相变。 马氏体(M a rten site)相变是无扩散型晶格相变,也是由于剪切位移而改变晶体结构的相变。在低于马氏体相变点M s温度下,随着冷却马氏体长大,系统的热力学化学自由能减少,同时由于相变时产生的原子剪切位移,使系统产生非化学自由能的弹性能增大[2]。当自由能减少与弹性能增加之和达到某一 极小值时,马氏体停止长大,热效应与弹性效应达到平衡状态,可通过加热或者弹性应力来破坏热平衡,即只有当马氏体过热到T0以上温度A s时,在相变驱动力作用下,马氏体缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体长大或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制约的相变称为“热弹性马氏体相变”。相变并不是发生在某一温度点,而是一个温度范围,不同的合金系具有不同的温度范围[3]。图1显示了相变特性及相变循环中的关键点,其中M s,M f为马氏体相变的开始和结束时的温度,A s,A f为逆相变的起始和结束温度,人们通常用相变温度A f表征合金的特性。大多数的合金, 相变发生在较窄的温 M f M s A s A f 图1 相变温度曲线 Ξ ΞΞ作者简介:吴根华(1962-),男,安徽枞阳人,教授,研究无机材料化学。 收稿日期:2004-03-17
2015年6月21日 形状记忆合金的研究与应用 姓 名： 赵泰先 学 号： 013412154 指导教师： 汪 潇
形状记忆合金的研究与应用 摘要：形状记忆合金，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形变，恢复其形变原始形狀的合金材料。这种合金在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”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——热弹性马氏相变体。 关键词：形状记忆合金（SMA）、马氏相变体、记忆效应（SME） 引言 形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能，是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形[1,2]。当温加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。SMA及其驱动控制系统具有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化；集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单，易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。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。 1、发展史 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"。 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年科学家及其合作者在等原子比的钛镍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