铁磁形状记忆合金的力学行为研究进展

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b‎c t)马氏体相变‎，如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、Fe-31Ni一‎I0Co-3Ti及F‎e-33Ni-l0Co-(3~4)Ti-Al等。

铁磁形状记忆合金一、介绍铁磁形状记忆合金是一种具有磁记忆能力的材料，它可以在外加磁场的作用下实现形状的记忆和变形的控制。

这种材料的独特性质使得它在许多领域都有着广泛的应用。

本文将对铁磁形状记忆合金的特点、原理及应用进行探讨。

二、特点铁磁形状记忆合金具有以下几个显著的特点：2.1 高形状记忆效应铁磁形状记忆合金能够实现很高程度的形状记忆效应。

当外加磁场作用于材料时，合金中的微观结构将发生变化，从而使得材料发生形状的改变。

而当外加磁场移除后，材料又能够恢复到原来的形状。

这种高效的形状记忆效应使得铁磁形状记忆合金在机械领域、智能材料领域等有着广泛的应用。

2.2 宽温度范围内的形状记忆效应与其他形状记忆合金相比，铁磁形状记忆合金的形状记忆效应在较宽的温度范围内都能够发挥出较好的效果。

这使得它在一些高温环境下的应用领域具有优势。

2.3 高变形能力铁磁形状记忆合金具有较高的变形能力，能够在外加磁场的作用下产生较大的变形。

这种高变形能力使得它在一些需要进行精确控制的机械系统中具备重要的应用前景。

三、原理铁磁形状记忆合金的形状记忆效应是基于磁形状记忆效应和应变诱导逆磁形状记忆效应的共同作用。

当外加磁场作用于合金时，合金中的磁畴结构会发生变化，从而导致材料发生形状的改变。

当外加磁场移除后，合金中的磁畴结构又会重新排列，使得材料能够回到原来的形状。

四、应用铁磁形状记忆合金在许多领域都有着广泛的应用，下面列举几个主要的应用领域。

4.1 智能材料铁磁形状记忆合金是一种智能材料，它能够根据外界条件自动感知、记忆和响应。

因此，在智能材料领域，铁磁形状记忆合金具有广泛的应用前景。

例如，它可以应用于智能传感器、自适应材料等领域，实现智能化的功能。

4.2 机械领域在机械领域，铁磁形状记忆合金可以用于制造各种精密仪器和设备。

由于其高形状记忆效应和变形能力，它可以用于制造自动控制装置、精密机械运动部件等。

此外，铁磁形状记忆合金还可以应用于精密测量、精密加工等领域，提高生产效率和产品质量。

环 训练 对记 忆性 能 的影 响 的研 究。 试
表 明含Ｔ ｉ 和Ｅ ｒ 的合金具有较高 的硬度
且组 织明显细化 ； 含Ｔｉ 、 Ｅｒ 与不含Ｔｉ 、
电子 显 微镜 （ ＸＲＤ） 分 析研 究 了Ｆ ｅ 一
１ ３ ． ５ ３ Ｍ ｎ－４． ８ ６ Ｓｉ －８ ． １ ６ Ｃｒ －３． ８ ２ Ｎｉ 一
合物的Ｆ ｅ －２ ８ Ｍｎ －６ Ｓ ｉ 一 ５ Ｃ ｒ 经１ ４ ２ ３ Ｋ、 ｌ ｈ 固溶 处 理 后 直 接 水 淬 ， 并 进 行
型超级铁基 形状 记忆超 弹性铁基合 金 Ｆ ｅ — Ｎ卜 Ｃ ｏ — Ｔ ｉ ～ 铝（ Ａ １ ） ， 用Ａ ｌ 取 代了
Ｆ ｅ － １ ６ Ｍｎ 一 ５ Ｓ ｉ 一 ９ Ｃｒ — Ｓ —Ｎｉ — Ｎｂ －Ｃ 经
验表 明 ， 该 合金 的 热加 工及 固溶 处理 的最佳温度为（ １ ０ ５ ０ ±３ ０ ） ￣ Ｃ； 且合金 随 着预应变量 ８ 。 的增加 ， 记忆 回复 率 ｒ １ 降低， 而应 变 回复 量 ８ 有 一 个 最 佳 值 ； 合金随训练次数 的增加 ， 记忆 回复
率增 加 ， 但增 加 的幅度 不 同 ， 在７ ０ ０ ℃ 时效后 时 ， 记忆 回复率较 大 。 张伟 等 采 用 等 通 道 转 角 挤 压 技
制合 金 中第 二相 的析 出 ， 可制 备不 需
Ｅ ｒ 的２ 种 合金 的形状 回复率 均在 预应
变为 ３ ． ２ ％时达 到最 大值 ９ ４ ％， 但 随着
０ ． １ ６ Ｃ 合 金进行 直 接时效 和形 变 时效 后对 合 金 中的相 变 、 析 出相和 形状 记 忆 效 应 的 影 响。 试验表明， 形 变 时 效 后Ｃ ｒ ２ ， Ｃ 析 出 的数 量 显 著 增 多 ， 且 析

所 ， 对 铁 磁 形 状 记 忆 合 金 （ ｅｒ ｍａ ｎ ｔ ｈ ｐ 针 Ｆ ｒｏ ｇ ｅｉ Ｓ ａ ｅ ｃ Ｍｅ ｒ ｌｙ 简写 为 Ｆ ＭＡ； 称 为 磁 控 形 状 记 ｍｏｙ Ａｌ ， ｏ Ｓ 或
忆 合金 Ｍａ ｎ ｔ ａｌ ｏ ｔｏｌｄＳ ａ ｅＭｅ ｒ 一 ｇ ｅｉ ｌ ｃ ｎｒ ｌ ｈ ｐ ｍｏ ｙＡ１ ｃ ｙ ｅ
收稿 日期 ： ０ ００ — ６ 修 回 日期 ： ０ ０ ０ — ８ ２ １－２２ ； ２ １ — ５２
Ｆ ＭＡ 不 但 具 有 传 统 形 状 记 忆 合 金 受 温 度 场 Ｓ
控 制 的 热 弹性 形状 记 忆 效应 ， 而且具 有受 磁 场控 制
・
基金 项 目： 国家 杰 出 青 年 基 金 项 目（０ ２ ８ ８ 、 家 “ 一 五 ” 技 支 撑 计 划 课 题 （０ ６ Ａ ０Ａ０ ）东 南 大 学 优 秀 博 士 ５７５５）国 十 科 ２ ０Ｂ Ｊ ３ ４ 、 论 文 基 金 （ Ｊ １０ ） 助 ＹＢ Ｊห้องสมุดไป่ตู้０ ６ 资 作者 简介 ： 李爱群 （９ ２）男 ， １６ 一 ， 教授 ， 博导 。主要从事结构振动控制 、 结构健康监测研究 。Ｅ ｉ ａｑ ｎｉ ｅ ．ｄ ．ｎ ｍａ ：ｉｕ ｌ ｌ ＠ｓｕ ｅ ｕ ｃ
16722132201101000114引言随着传统形状记忆合金应用的不断推进热弹性形状记忆效应在实际应用中的局限性开始显现许多学者推测形状记忆效应还可以通过对马氏体状态下的铁磁合金施加磁场得到13并开始进行研究
第 ３ 卷第 １ １ 期 ２ １ 年 ２月 ０１
Ｖｏ ． １ Ｎｏ １ １ ３ ．
灾 Ｐ 盯
减摘 要 ：综 述 了铁 磁 形 状 记 忆 合 金 （ ｅｒｍａ ｎ ｔ ｈ ｐ ｍｏｙＡｌ ｙ， 写 为 ＦＳ Ｆ ｒｏ ｇ ｅｉ Ｓ ａ ｅＭｅ ｒ ｌ 简 ｃ ｏ ＭＡ） 材 料 研 制 和 热 磁 力 学特 性 在 ｎ

浅谈形状记忆合金力学性能及其工程应用形状记忆合金(Shape Memory Alloy)，简称SMA，自1963年在美国海军实验室被发现以来，如今已经在机械，航空航天，生物医学等诸多领域都得到了广泛地研究和应用。

SMA一般分为镍钛系，铜系和铁系三大类。

顾名思义，形状记忆合金是具有记忆效应的特殊合金材料，实际上除了形状记忆效应SMA还具有伪弹性，形状记忆合金含有以上两个力学性质。

一般金属受到外力产生弹性变形，随着继续加载，金属在到达屈服点之后将产生不可恢复的塑性变形，应力去除之后材料不能恢复到原来的初始状态。

但是如果将产生塑性变形的金属加热到一定温度之上，材料就能恢复到产生变形之前的状态(恢复变形可达8%的应变量)这就是形状记忆效应。

所谓伪弹性，即当温度高于奥氏体的转换温度(此温度不存在马氏体)，加载的应力超过弹性极限的时候，材料产生非弹性变形且稳定存在于该应力水平的持续作用下，一旦应力消除即使不采用加热的方式材料也能恢复到变形状态前的性质。

综上，在SMA中马氏体相变不仅由温度引起，应力也可以诱发马氏体相变。

二者在本质上是一致的，伪弹性是在加载过程中产生应力诱导的马氏体相变，当外力消失后发生马氏体逆相变回到原来的状态，而形状记忆效应那么是通过加热产生马氏体逆相变回到原来的状态。

下面从材料结构和微观组织方面更进一步介绍。

形状记忆合金是具有马氏体相和奥氏体相且二者能相互转化的两相材料。

马氏体是铁碳合金从高温奥氏体(具有面心立方结构)经过急冷淬火后会变得比拟硬，经过抛光浸蚀后在显微镜下观察到的致密组织，其结构是基于奥氏体立方结构某一个面上原子联动所引起的切变型晶格的斜方结构。

马氏体开始相变的温度记为Ms，终了温度以Mf表示。

在加热过程中，奥氏体相变开始的温度用As表示，终了温度为Af。

一般的As>Ms，Af>Mf。

根据马氏体相变温度与奥氏体相变温度之差(As-Ms)以及马氏体的生长方式可分为：热弹性马氏体相变和非热弹性马氏体相变。

ｔ ｅｍｉｒ ｅｅ ｔｏ ｉ ｍ ｅｈ ｎｃｌｓ ｓｅ （ ＥＭ Ｓ ． Ｆ ｏ ｔ ｅｖｅ ｏｎ ｆｅ ｇｎ ｅ ｉｇ ａ ｐｉａｉｎ ，ｔ ｅｓ ａ ｅｍｅ ｒ ｈ ｃｏ ｌｃｒ ｎｃ ｃ ａ ｉａ ｙ ｔｍｓ Ｍ ） ｒ ｍ ｈ ｉｗｐ ｉｔｏ ｎ ｉｅ ｒｎ ｐ ｌ ｔ ｓ ｈ ｈ ｐ ｍｏ ｙ ｃ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙｗｏ ｄ
ｓ ａ ｅｍ ｅ ｒ ｌ ｙ ，ｍａ ｔｎ ｉｉ ｔａ ｓｏｍ ａｉｎ。ｍｉｒ ｅｅｔｏ ｉ ｍｅｈ ｎｃ ｌ ｙ ｔｍｓ ｈ ｐ ｍｏ ｙａｌ ｓ ｏ ｒｅ ｓｔ ｒｎ ｆｒ ｔ ｃ ｏ ｃ０ １ｃｒ ｎｃ ｃ ａ ｉａ ｓｅ ｓ
０ 引言
早 在 １３ 年美 国 哈 佛 大 学 Ｇ ｅｉ ｅ 等ｎ 就 在 Ｃ —ｎ ９８ ｒｎ ｇｒ ｎ ｕ Ｚ 合金 中发 现了热 弹 性 马 氏体 ， 是 直 到 １６ 年 美 国海 军 武 但 ９３ 器试 验室 的 Ｂ ｅｌ 等＿在 近等 原 子 比 ＴＮｉ 金 中发 现 了 ｕｈｅ ｒ ２ ｉ 合 形状记 忆效 应之 后 ， 该类合 金才 引起 人们 的广 泛关 注 。随后 在 Ｃ 基 ＿、 ｅ ｌ合金 ， 至在 聚合物 ［和陶 瓷 材料 中都 ｕ ３ Ｆ 基＿ ］ ４ 甚 ５ ］ 发现 了类似 的形 状记 忆 效 应 。１９ 年 Ｏ Ｈａｄｅ 等 ＿发 现 ９６ ｎｌ ｙ ７ 的 Ｎ Ｇ 合 金则 开启 了磁控 形状记 忆材料 研究 的大 门 。 ｉ Ｍｎ ａ 形状记 忆合金 可 以通过 控 制 成 分 和 工艺 实 现 对 其 材料 结构 以及 相 变行 为 的 控 制 ， 在 ＴＮ 合 金 中掺 杂 Ａ ＿或 如 ｉｉ ｕ８ ｐ［可 以显 著提 高合金 的相 变 温度 ， ｔ＿ ９ 使之 成 为高 温 形状 记 忆 合金 ， 入 Ｎｂ 以 使 相 变 热 滞 增 大 到 １０ ， 加 入 加 ＿ ｌ”可 １ ４℃ 而 Ｃ ［３ 相变热 滞则 锐减 至 ４ ｕｉ后 ２ ￣ Ｃ。另 一方 面 ， 随着材 料先 进 制 备技 术 的飞速发 展 ， 纳米化 处理 也越 来 越多 地应 用 于形 状 记

铁基形状记忆合金材料的研究进展铁基形状记忆合金材料作为一类具有巨大应用潜力的新型功能材料，近年来备受关注。

本文将介绍铁基形状记忆合金材料的研究进展，重点探讨其性能特点、制备方法以及应用前景。

一、性能特点铁基形状记忆合金材料具有独特的性能特点，使其在各个领域都有广泛的应用前景。

1. 形状记忆效应铁基形状记忆合金材料能够在受到外部刺激时发生可逆的形状变化，具备良好的形状记忆效应。

这一特点使得这类材料在机械领域、电子领域等多个领域都具备广泛的应用前景。

2. 良好的机械性能铁基形状记忆合金材料具有较高的强度和韧性，能够承受较大的外部载荷。

这种优异的机械性能使得该材料在航空航天、汽车制造等领域具备广泛的应用潜力。

3. 耐腐蚀性能铁基形状记忆合金材料具备良好的抗腐蚀性能，能够在恶劣环境下保持稳定的性能。

这使得该材料在海洋工程、化工等领域的应用具备优势。

二、制备方法铁基形状记忆合金材料的制备方法有多种多样，包括传统的熔融法、粉末冶金法以及近年来逐渐兴起的激光选区熔化法等。

1. 熔融法熔融法是最早被应用于铁基形状记忆合金材料制备的方法之一。

通过将合金原料加热至熔融状态，然后迅速冷却，得到具有形状记忆特性的铁基合金材料。

2. 粉末冶金法粉末冶金法以粉末合金为原料，通过粉末混合、成型、烧结等工艺制备出铁基形状记忆合金材料。

这种方法制备的材料具有较高的纯度和均匀的成分分布。

3. 激光选区熔化法激光选区熔化法是近年来兴起的一种新型制备方法。

该方法利用激光束在合金表面进行局部熔化，形成高温区域和低温区域，进而得到具有形状记忆特性的铁基合金材料。

三、应用前景铁基形状记忆合金材料由于其独特的性能特点，在多个领域都有着广泛的应用前景。

1. 机械领域铁基形状记忆合金材料在机械领域具备广泛的应用潜力。

例如，在航天航空领域，可以将其应用于发动机零件、伸缩机构等；在汽车制造领域，可以将其用于刹车系统、防盗系统等。

2. 电子领域铁基形状记忆合金材料在电子领域的应用也十分广泛。

电炉特种铁合金的磁记忆行为与形状记忆应用随着科学技术的不断进步，磁记忆行为和形状记忆材料的研究与应用越来越受到人们的关注。

特种铁合金作为一类重要的材料，具有优异的性能和广泛的应用领域。

本文将重点讨论电炉特种铁合金的磁记忆行为和形状记忆应用，并探讨其在材料领域的潜力。

磁记忆行为是指材料在外加磁场作用下，发生形变并能够保持其原始形状的特性。

电炉特种铁合金是一类具有磁记忆行为的重要材料。

其基本原理是通过磁性相的相变来实现形状的改变。

在磁记忆行为的应用中，电炉特种铁合金的形状记忆效应被广泛应用于机械、航空航天、汽车和医疗器械等领域。

特种铁合金的磁记忆机制是基于微观结构发生的相变。

通过改变外加磁场的方向和大小，可以控制特种铁合金的形状改变。

这种磁记忆机制在实际应用中具有很大的潜力。

特种铁合金的磁记忆行为可以通过微观结构的调控来实现高度可控。

例如，通过合金的化学成分、热处理和应力处理等方式，可以调控材料的记忆行为，实现更高的形状记忆效应和更好的性能。

电炉特种铁合金的磁记忆行为在材料领域有广泛的应用。

在机械领域，特种铁合金可以用于制造具有自修复功能的零件。

当零件发生磨损或变形时，利用材料的磁记忆行为，可以使零件自动恢复原始形状，提高零件的使用寿命和稳定性。

在航空航天领域，特种铁合金可以用于制造具有自适应形状的部件。

例如，利用特种铁合金的磁记忆行为，可以制造出可以自动调整形状的飞机翼，提高飞机的适应性和性能。

特种铁合金的形状记忆应用还可以扩展到汽车领域。

利用特种铁合金的磁记忆行为，可以制造出具有自动调整形状的汽车零部件。

例如，通过在汽车底盘上应用特种铁合金材料，可以实现车身的自动调整和平衡，提高车辆的稳定性和行驶性能。

此外，特种铁合金的形状记忆效应还可以应用于医疗器械。

例如，利用特种铁合金的磁记忆行为，可以制造出具有可调节形状的支架和植入物，用于修复骨折和支撑血管等医疗领域。

虽然电炉特种铁合金的磁记忆行为在材料领域有广泛的应用前景，但目前仍面临一些挑战。

形状记忆合金的力学性能与本构模型研究一、内容综述形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）是一类具有形状记忆效应（Shape Memory Effect, SMA）和超弹性（Superelasticity）特性的先进功能材料。

自20世纪70年代以来，形状记忆合金在生物医学、航空航天、电子器件等领域得到了广泛关注和应用。

本文从形状记忆合金的力学性能与本构模型两个方面进行综述，重点介绍近年来在这些领域的研究进展与挑战，并展望未来的发展趋势。

在力学性能方面，主要讨论了形状记忆合金的高温马氏体相变特性、超弹性行为、应力诱导相变等现象。

高温马氏体相变使得SMA在温度变化时发生可逆的形状记忆效应，而超弹性则赋予了材料在受到力的作用下发生显著形变的能力，同时在外力消失后又能够恢复到原始形状。

这些独特的力学性能使得SMA在各应用领域展现出了巨大的潜力。

在本构模型方面，重点介绍了各向同性、非各向同性以及各向异性等类型的本构模型。

各向同性本构模型可以描述形状记忆合金在单一取向下的力学行为，而非各向同性本构模型则需要考虑材料的各向异性效应，以更准确地描述其在不同方向上的力学响应。

一些学者还提出了包含塑性和蠕变效应在内的多尺度本构模型，以更全面地反映形状记忆合金在实际工程应用中的复杂力学行为。

值得注意的是，虽然目前对形状记忆合金的研究已取得了显著进展，但仍存在诸多挑战和问题需要进一步研究和解决。

如何提高材料的塑性以提高超弹性的使用范围，如何降低材料在长时间加载过程中的疲劳损伤等。

未来的研究应继续关注形状记忆合金在力学性能与本构模型方面的研究进展，并着眼于解决现有的问题和挑战，以实现其在各领域的广泛应用和更高性能表现。

1. 形状记忆合金的发展和应用形状记忆合金（SMA）是一种具有独特力学性能的材料，能够在受到外部刺激（如温度、电流、磁场等）时发生形状的改变和恢复。

这种材料在许多领域都有着广泛的应用前景，如航空航天、生物医学、机器人科学以及精密仪器等。

磁控形状记忆合金的研究现状及其应用进展近年来，随着材料科学和工程技术的快速发展，磁控形状记忆合金作为一种新兴材料备受关注。

其在医疗、航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。

本文将以磁控形状记忆合金为主题，对其研究现状及应用前景进行全面深入的探讨。

1. 磁控形状记忆合金概述磁控形状记忆合金是一种集合形状记忆效应和磁性效应于一体的智能材料。

它能够在外加磁场的作用下发生形状变化，并在去除磁场后恢复原始形状，具有重复使用的特点。

这种材料具有快速响应、低能耗、高效率的优点，因而受到了广泛关注。

2. 磁控形状记忆合金的研究现状目前，国际上关于磁控形状记忆合金的研究主要集中在以下几个方面：- 磁控形状记忆合金的微观结构和力学性能研究：通过透射电子显微镜、原子力显微镜等先进技术，对磁控形状记忆合金的微观组织和形变机制进行深入研究，揭示其力学性能的内在规律。

- 磁控形状记忆合金的磁控效应研究：通过改变外加磁场的强度和方向，探索磁控形状记忆合金在不同磁场下的形状变化规律，并优化其磁控效应。

- 磁控形状记忆合金的稳定性和循环使用性能研究：在实际应用中，磁控形状记忆合金需要具有较高的稳定性和循环使用性能。

研究人员也致力于提高磁控形状记忆合金的稳定性和循环寿命。

3. 磁控形状记忆合金的应用进展磁控形状记忆合金在各个领域都有着广泛的应用前景：- 医疗领域：磁控形状记忆合金在医疗器械领域有着广泛的应用，如支架、植入物等。

其能够通过外加磁场实现形状变化，适应患者不同部位的形态，具有较高的医疗价值。

- 航天领域：磁控形状记忆合金可以用于太空飞行器的折叠展开结构、自修复结构等，提高太空飞行器的使用寿命和安全性。

- 汽车领域：磁控形状记忆合金可用于汽车发动机的温度控制装置、变形结构等，提高汽车的燃油效率和安全性。

4. 个人观点和总结磁控形状记忆合金作为一种新兴材料，具有着广阔的应用前景和发展空间。

然而，在其研究和应用中仍然存在一些挑战，如稳定性、循环使用性能等方面还需要不断加强研究。

中 图分 类号 ： Ｂ ８ ； Ｔ ３ １ ＴＵ３ ３ ２ １ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１ ７ — １ ２ ２ １ ） ２ ０ １ — ４ ６ ２ ２ ３ （ ０ １ ０ — １ ７１
程 ｇ
ｏ 学撕
行 研 究 ， 能 够 将 其 应 用 到驱 动 、 制 和监 测 等 领 并 控 域 ， 多 学者 开 始 从 Ｆ ＭＡ 的热 磁 力 学 机 理 出发 ， 很 Ｓ 根据 不 同的基本 理论 建立 本构 模 型 。
进行 展望 。 式中 ｈ 为外 磁场 强度 。
ｍ 为磁化 矢 量 ； 为恒 定外 负 载下 的应力 （ 为 晶体 中各 变体 的应 变状 态矩 阵 ； Ｅ） Ｄ 为孪 晶或磁 畴 的去磁 矩阵 。 式 （ ） ， 。 ｍ＞ 表 Ｚ ｅ ｎ能 ， ・（ 代 １ 中 ｈ ・＜ 代 ｅｍａ Ｅ）
１ Ｆ ＭＡ 本 构 模 型 研 究 Ｓ
为 了进 一步 对具 有铁 磁形 状记 忆 特性 的材 料进
收 稿 日期 ：０ ００ —６ 修 回 日期 ：０ ０１— ６ ２ １—９ １ ； ２ １ —０２
表恒 定外 负载下 的机 械能 ， ）・ ・（ ／ 表 退 （ Ｄ ｍ）２代 磁场 能 （ 磁能 ） 静 。由于 晶体 结构 只允许 存在 特定 的
应用 材料 。为此 ， 内外 大量 学者 基 于不 同的理 论 ， 国
早在 １９ ９ ６年 ，ａ ｓ和 Ｗ ｕｔ Ｅ 借鉴 其他 智 能 Ｊｍｅ ｔｉ ２ ｇ３ 材料（ ｒ ｎｌ 等） Ｔｅｆ ｏ— ｅ Ｄ 的本 构 模 型 ， 于数 值 微 观磁 基 学原 理 ， 出了 Ｆ ＭＡ 材 料 Ｈ ｌ ｏｔ 提 Ｓ ｅｍｈ ｌ ｚ自由能 的一 般 形 式 ， 包 含 Ｚ ｅ ｎ 自 由能 、 应 力 能 和 磁 静 它 ｅ ｍａ 外

形状记忆合金的研究现状及应用特点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。

磁致应变效应
在铁磁形状记忆合金中 , 产生磁致应变效应的
机制主要有两种 : ( 1) 孪晶马 氏体在磁场下的 重取 向; ( 2) 磁场驱动相变 . 对于第一种机制, 其驱动力为 磁晶各向异性能 , 最典型的材料是 Ni Mn Ga, 目前 其单晶的磁致应变已达到 10% [ 2] . 这种机制下的磁 致应变特点是所需磁场较小, 应变大, 但是输出应力 较小 , 通常要求材料为单晶. 第二种机制和传统形状 记忆合金中的温度和应力驱动的马氏体相变类似 , 不同的是驱动力为 Zeeman 能. 由于 Zeeman 能对晶 粒的取向并不敏感 , 因而这种效应在多晶中也能发 现. 表 1 列出了部分 Ni Mn 基铁磁形状记忆合金的 磁致应变 .
[ 2]
Ni Mn Z ( Z= In, Sn, Sb) 合金的结构与相
Ni2MnZ( Z= In, Sn, Sb) 属于 Heusler 型合金 , 是
变
一种有序度很高的三元金属间化合 物, 结构为 L21 有序型体心立方结构 , 是典型的 Fm3m 型空间点阵 结构 . 与 Ni2MnGa 不同的是 , Ni2MnZ( Z= In, Sn, Sb) 合金并不表现出形状记忆效应 , 随温度降低未发现 马氏体相变. 日本东北大学 Sutou 等人研究发现 , 通 过减少 Z 的含量, 在非正分的 Ni50 Mn50 x Zx ( Z= In,
1
In 、 Ni Mn Sb 合金 中也观察 到了类似的偏置效 应, 说 明这种 铁磁 反铁 磁共 存现象 在 Ni50 Mn50 x Zx ( Z= In, Sn, Sb) 合金中普遍 存在. ( 2) 从铁磁奥 氏体 相到顺磁奥氏体相的相变 , 居里温度为 TC . 此外, 在 较高温度通常存在一个从有序到无序的结构相变 , 这为控制材料母相结构的有序度提供了依据, 通过 在低于转变温度退火可以增加结构的有序度, 在高 于转 变 温 度 退 火 则 可 以增 加 结 构 无 序 性 . 例 如 Ni45Co 5Mn36. 7In 13. 3 合金的研究结果表明, 其有序无序 转变温度为 896 K, 在 923 K 退火得到了无序 B2 结 构, 而在 623 K 退火则得到了有序 L21 结构

第３ Ｏ卷
第 ９期
中 国 材 料 进 展
ＭＡＴＥＲＩ Ｓ ＣＨＩ ＡＬ ＮＡ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ９ １３ ． Ｓｐ ２ １ ｅ ． ０１
２１ ０ １年 ９月
磁 性 形 状 记 忆 合 金 研 究 进 展
蒋 成 保 ，王 敬 民 ，徐 惠 彬
（ 北京航 空航天大学材 料科学与工 程学院 空天 先进 材料与服 役教育部重 点实验室 ，北 京 １０ ９ ） ０ １ １
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如 前所 述 ，磁 性 形状 记 忆合 金 同 时具 有 热 弹 性 马 氏 体 相 变 和铁 磁性 转 变 。热 弹性 马 氏体 相变 是 一 种 非 扩散 型一 级 固态 相 变 。其 特 征 温 度 包 括 马 氏体 开 始 温 度 和结束 温 度 ，奥 氏 体 开始 温 度 Ａ 和结 束 温度 。铁
关 键 词 ：磁性形状 记忆 合金 ；马 氏体相 变 ；磁性转变 ；磁 场驱动孪晶再取 向 ；磁场诱发相变
中图分 类号 ：Ｔ ３ Ｂ４
文献标识 码 ：Ａ
文章编号 ：１ ７ ６ ４—３ ６ （０ １ ０ ０ ４ ０ ９ ２ ２ １ ） ９— ０ ２— ９

铁磁形状记忆合金的制备及性能研究随着科学技术的不断发展，新材料的研究和应用受到了越来越广泛的关注。

铁磁形状记忆合金作为近年来新兴的材料之一，具有很好的形状记忆效应和铁磁性能，正逐渐成为研究的热点。

本文将从铁磁形状记忆合金的制备和性能两个方面进行探讨。

一、铁磁形状记忆合金的制备铁磁形状记忆合金是由铁、镍、钴等元素组成的晶体，具有良好的形状记忆效应和铁磁性能。

其制备包括熔态法和固态法两种方式。

熔态法主要是将合金元素熔融，然后在特定条件下进行凝固和调质。

这种方法制备的铁磁形状记忆合金通常具有优良的形状记忆效应和铁磁性能，并具有较高的制备成本。

固态法主要是利用溶液处理、粉末冶金和微波热处理等技术制备铁磁形状记忆合金。

这种方法制备的合金成本相对较低，而且适用性广泛，操作方法简单。

二、铁磁形状记忆合金的性能研究铁磁形状记忆合金具有良好的形状记忆效应和铁磁性能，并且在高温条件下也有较好的性能表现。

因此，在应用领域中，如机械、自动控制、物理电子学等方面具有很大的潜力。

1.形状记忆效应铁磁形状记忆合金具有良好的形状记忆效应，该效应主要是由于合金结构中存在的相变引起的。

形状记忆效应的实现需要与记忆控制条件相匹配，例如外部（磁场或应力）和内部（组织结构、温度等）控制条件。

因此，在应用中，如机械、自动控制等方面，可以通过形状记忆材料的特性来实现控制和调节。

2.铁磁性能铁磁形状记忆合金具有强烈的铁磁性能，这种性能主要是由合金中的铁、镍、钴等元素的磁性质所决定的。

铁磁性能可以通过改变合金成分、处理条件等手段进行控制和调节。

在应用领域中，如物理电子学、自动控制等方面，铁磁性能的特性可以实现不同下磁性库仑场的控制，进而实现对磁性材料性能实现更深度的发掘和应用。

总之，铁磁形状记忆合金是一种具有广泛应用前景的新材料，其制备和性能研究对于材料科学研究领域产生了重要意义。

随着科技的进步和人们对高性能材料的需求不断提高，铁磁形状记忆合金必将在现代工业制造和科研领域发挥越来越重要的作用。

铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga及Ni-Mn-(In,Sn,Sb)第一原理研究铁磁形状记忆合金是一种新型的智能驱动材料,在具有最高可达10%的磁致应变同时有着丰富的物理效应如巨磁阻、巨磁热和交换偏置效应等。

此类合金的这些优良的物理特性使其具有巨大的开发潜力,可应用在驱动器、传感器和磁制冷等领域,从而成为目前国际金属材料和凝聚态物理研究领域的热点。

本论文使用第一原理计算的方法,研究了铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga的磁各向异性和Ni-Mn-(In,Sn,Sb)合金的变磁性转变性质,从理论计算出发验证了磁致应变发生的条件和探究了变磁性转变与合金成分及其与主族元素的关系,并讨论了第一原理计算方法在预测新型形状记忆合金中的应用。

首先,本论文使用第一原理系统地计算了 Ni2FeGa合金的结构、弹性、磁弹性和晶格动力学性质。

发现计算所得的Ni2FeGa合金的弹性常数、各向同性弹性模量和德拜温度与实验和其他计算结果相符,并且得到的弹性常数和磁弹常数可以用在进一步的相场模拟中。

进一步我们使用包含自旋轨道耦合效应的密度泛函方法计算了Ni2X(X=Mn,Fe,Co)Ga合金的磁各向异性能,通过态密度分析解释了Fedxy+dyz电子在费米能级附近的移动导致了 Ni2FeGa易磁化轴随着应变变化。

以Ni2MnGa和Ni2FeGa合金为例,通过比较第一原理计算所得的孪生应力和磁应力的大小,验证了决定能否在马氏体相产生磁致应变的条件。

表明通过第一原理计算得到磁应力的大小可作为寻找新型铁磁形状记忆合金的一个判据。

其次,本文使用第一原理研究了 Mn和Co原子掺杂Ni2MnZ(Z=In,Sn,Sb)合金的结构、相稳定性和磁性性质。

形成能结果表明额外的Mn和Co原子分别倾向于占据合金中Z和Ni原子位置。

进一步使用第一原理研究了合金在块体和薄膜情况下的变磁性转变,发现合金奥氏体和马氏体相能量差随着Mn成分增加而增大,而随着Co成分增加而减小,这与实验中相变温度与合金成分的关系相符。

材 料 的应 用 。
模型进行 了分析 比较 ， 旨在建立更完 整 、 应面更广 的模 型 ， 适 进
一
步推动 Ｆ ＭＡ本构模型的研究发展与工程应用 。 Ｓ
１ 铁磁形状记忆合金 的本构模型
１ １ 基 于微观 磁 学约束 理论 的模 型 ．
１９ ９ ９年 Ｊｍｅ 和 Ｗｕｔ Ⅱ ］ ａ ｓ ｔ ｇ 研究 了铁磁 形状 合金 中磁场 ｉ 诱导应变的理论 。这种方 法最初 的研究是 基于微 观磁学 的， 能
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铁磁 形状记 忆合 金本 构 关 系的研 究进 展／ 玉萍等 朱
・ ３・ ７
铁 磁 形 状 记 忆 合 金 本 构 关 系 的 研 究 进 展
朱 玉萍 ， 关锁 兑
（ 北京交通大学工程力学研究所 ， 北京 １ ０ ４ ） ０ ０ ４ 摘 要
ＺＨＵ ｕ ｉ ｇ，ＤＵ ＩＧｕ ｎｓ ｏ Ｙ ｐｎ ａ ｕ
（ｎ ｔｕｅｏ ｃａ ｉ ，Ｂ ｉｎ ｉ ｔｎ ｉ ｒｉ ， ｅ ｉｇ１０ ４ ） Ｉｓｉ ｔ ｆ ｔ Ｍｅｈ ｎｃ ｓ ｅ ｉｇＪ ｏｏ ｇＵｎｖ ｓｔ Ｂ ｉｎ ０ ０ ４ ｊ ａ ｅ ｙ ｊ
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