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马氏体相变与形状记忆合金优秀课件

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功能材料课件-形状记忆合金

功能材料课件-形状记忆合金

合金产生宏观变形 变形随之消失
变形在Ms以上进行 无双程记忆效应
形状记忆
形状记忆合金的应用
阿波罗11号——天线
机械应用
自控元件
形状记忆合金制成的水龙头上的温度调节装置
制作发动机 利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，
产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能、 热能之间的相互转换。
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其特点。
形状记忆合金可以分为三种： 镍钛系 铜系 铁系
其性能见P51 表5-2
镍钛系
基本特点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好等 一系列的优点。但制造过程较复杂、价格高昂。
（一）Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变
母相是CsCl结构的体心立方晶体(B2)
铜系
基本特点：形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造， 但强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容 性。 主要合金：主要由Cu-Zn和Cu-Al两个二元系发展而来
Cu-Zn合金的热弹性马氏体相变温度极低，通过加入Al, Ge, Si, Sn, Be可以有效的提高相变温度，由此发展了的Cu-ZnX(X= Al, Ge, Si, Sn, Be )三元合金。加入其它组元进一 步提高性能（多元合金）
基于高分子材料中分子链的 取向与分布的变化过程
分子链的取向与分布可 受光、电、热、或化学 物质等作用的控制
SMP 可 以 是 光 敏 、 热 敏 、 电敏等不同的类型。
形状记忆高分子（shape memory polymer, 简称SMP） 热敏型SMP的工作机制
课堂练习 简述形状记忆效应的种类及其基本特点
基于非热弹性可 逆马氏体相变
Fe-Mn-Si Fe-Ni-Si Fe-Cr-Si-Mn-Co

马氏体相变及形状记忆合金

马氏体相变及形状记忆合金

1、贝茵（Bain）模型
早在 1942 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模型给出 了点阵变化的清 淅的模型，但不 能解释宏观切变 和惯习面的存在， 也不能解释 M 内 部的亚结构。
钢：含碳量小于2％并含有某些其他元素的铁碳合 金。 合金：指由两种或两种以上的金属或金属与非金 属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属 特性的物质。组成合金的基本的独立的物质称为 组元。组元可以是金属和非金属元素，也可以是 化合物。固态下所形成的合金相基本上可分为固 溶体和中间相两大类 。 固溶体：是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中 溶人其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混 合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。 分为置换固溶体和间隙固溶体两种。
（四）马氏体转变的位向关系及惯习面
奥氏体转变为马氏体时，新旧两相之间保持着严 格的 晶体学位向关系 ，马氏体的不变平面被称为马氏 体的惯习面，以平行于此面的母相的晶面指数表示。 （五）马氏体转变的可逆性
冷却时高温相可以转变为马氏体，加热时马氏体 可以逆转变为高温相，而且转变都是以马氏体转变方式 进行的。与 Ms—Mf 相对应，逆转变有As—Af 分别表 示逆转变的开始和终了温度。
1963年美国海军研究所的W. Bueher等人发现Ni-Ti 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Raychem公司生产Ti-Ni-Fe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SMA第一 次成功应用。70年代以后SMA真正进入实用化阶段。至 80年代末SMA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。

第4章形状记忆合金精品PPT课件

第4章形状记忆合金精品PPT课件
其中，应力－应变关系表现出明显的非线性，这种非线性 弹性和相变密切相关，叫相变伪弹性(Transformation Pseudoelasticity)，也叫超弹性。
2020/10/21
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形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线
(Ms温度以上加载）
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形状记忆合金的相变伪弹性和热弹性马氏体相变在本 质上是同一现象。
60
40
20
0
270
290 310 330 350 温度/K
MS AS 275K
环境温度
2020/10/21Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
23
相变伪弹性（超弹性）
产生热弹性M相变的形状记忆合金，在Ms温度以上由应力 诱发产生的M只在应力作用下才能稳定存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变 形也随逆相变而完全消失。
应力所加对象 不同：
前述(彼)： 马氏体 此：奥氏体
施加应力前后
前述(彼)： 无
有无M相变：
此：有
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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 形的临界应力时，即使在Ms之上也会发生应力诱发M相变，即 外部应力使相变温度上升。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
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性能特点： 优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆
性能，相变点可在一定温度范围内调节，不 同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。
缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。
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形状记忆材料ppt课件

形状记忆材料ppt课件

第十八章 机敏材料和智能材料
第十八章 机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应用 （3）汽车工业 （4）兵器工业 （5）航空航天工业
第十八章 机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应 用 （6）医疗器械
用于矫正牙齿拱 形金属丝、血凝块 过滤器、脊椎矫正 棒、人工股关节、 接骨板、人工肾微 型泵、人工心脏收 缩活门，手术固定 器和避孕器具等。
第十八章 机敏材料和智能材料
一、形状记忆材料的概念
第十八章 机敏材料和智能材料
一、形状记忆材料的概念 形状记忆材料 （shape memory materials，简称 SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一 种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处 理又可恢复成初始形状的材料。 包括: 形状记忆合金 高聚物 陶瓷
特性 晶粒度/μm 转变温度/℃ Tas-Taf/℃ 回复应力／MPa 单向形状记忆 双向形状记忆 107次之后
NiTi 1-10 -50-100 30 400 ８％ 6.0％ 0.5%
CuZnAl 50-100 -200-170 10-20
200 ５％ 1.0％ 0.5%
CuAlNi 25-60 -200-170 20-30
发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力 后，又发生马氏体逆相变，恢复原状。(为什么)
第十八章 机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应用 （1）机械工业
SMA弹簧逆相变 伸长? 缩短?
SMA弹簧元件温度-位移特性测量装置原理图
SMA弹簧元件在一定负载下的温度-位移曲线
（3）去掉外力后塑性变形保留而形状 L +ε 不变。

最新第6节 形状记忆合金课件ppt

最新第6节 形状记忆合金课件ppt

用作连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。 下图是形状记忆效应应用最简单的例子—外部无法接 触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管接头， 连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外径小 4%，在Ms以下马氏体非常软，可将接头扩张插入管 子，在高于As的使用温度下，接头内径将复原。
(a)成型(T>Af) (b)弯曲应变(T<M f) (c)插入(T<M f) (d)加热(T>Af工作温度)
双向记忆效应
具有双向记忆的合金，在一定温度区间，随温 度升降，材料将反复变形。
3、相结构
母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相
变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构
比较简单，如果不考虑原子差别，都是体心立方。
马氏体的晶体结构复
杂一些，大多为长周
期堆垛。同一母相转
变得到的马氏体可以
合金 Ag-Cd Au-Cd Cu-Al-Ni
Cu-Sn Cu-Zn Cu-Zn-X
(X = Si,Sn,Al) In-Ti Ni-Al Fe-Pt Mn-Cu Fe-Mn-Si
原子百分比 44/49 at.% Cd 46.5/50 at.% Cd 14/14.5 wt.% Al 3/4.5 wt.% Ni approx. 15 at.% Sn 38.5/41.5 wt.% Zn a few wt.% of X
母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变是可
逆的，逆转变
完成后，不留 下任何痕迹，
(A) (B)
得到方位上和 以前完全相同
的母相。
A、B类马氏体相变的热滞后
相变时热滞后小，反映了相变驱动力（母相与马氏体 相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移 动。这种热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相 变称为热弹性马氏体相变。冷却时驱动力增大，马氏 体长大，同时马氏体周围母相中产生的弹性能增加， 冷却停止，马氏体长大也停止，即热驱动力与弹性能 平衡，称之为热弹性平衡.热弹性马氏体与钢中的淬 火马氏体不一样，通常它比母相还软。

第五章马氏体转变PPT课件

第五章马氏体转变PPT课件

方点阵—宏观不均匀切变；
③微小调整，使晶面间距符合实验结果
优点：可解释浮凸效应、惯习面、取向关系和亚结构变化
缺点：不能解释c1.4%的取向关系 四、K-N-V模型
全位错分解形成滑移型不全位错+堆垛层错
铬镍不锈钢、高锰钢和Fe-Ni-Mn合金：A（fcc)中间相 M（体
心正方）
第15页/共68页
§5-4 马氏体的组织形态
基本观点：在A中已经预先存在具有M结构的微区----存在于与各种晶 体缺陷
有关的位置。
微区随T而被冻结到低温，在没有成为可以长大成M的晶核以前称为核 胚。
T ， 则 r k 。 冷 却 时 ： 核 胚 尺第寸24页该/共温6度8页下 临 界 晶 核 尺 寸 ， 则 成 为 晶 核
二、马氏体转变动力学的类型
第17页/共68页
2）惯习面与取向关系
形成温度高 {225} K-S关系
形成温度低 {259} 西山关系
3）中脊—片状M中间一条明显的筋
厚度：0.5~1 m c1.4% 明显
相当于惯习面？
4）M的片之间总有残余奥氏体的存在—相变的不完全性
5）亚结构: 孪晶+少量位错 孪晶M
孪晶面：{112}’ 孪晶方向：[111]’
碳钢：cMs、残余奥氏体量
c0.3%
板条M—Ms下较高温区
0.3 % c 1 % 板条M+片M
c1%
片状M—Ms下较低温区
合金元素 缩小相区—板条M
扩大相区—随Me，板条M片M 改变A化温度不同Ms点
结果：随Ms ，M形态由蝶状片状薄片状
片状M：随形成温度相变孪晶区变大
2.奥氏体的层错能
层错能低—利滑移—产生位错—板条M

马氏体相变与形状记忆效应讲解

马氏体相变与形状记忆效应讲解

Gc P→M
右图中:T0是母相与马氏体相 吉布斯自由能相等的温度， 即两相处于平衡的温度．
马氏体形成：驱动力必须 克服相变阻力，即： －Gc P→MGnc P→M + Gs 即相变要有过冷度．
马氏体转变开始的温 度：Ms．
2
• 对于一些材料，如钢，相变时应变能等相变阻力较高，需要很大的过冷度. • 有一些合金，相变阻力较小，相变时应变能在合金的弹性应变能范围内, 只需
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．
第一节 马氏体相变与形状记忆效应
一．热弹性马氏体相变与形状记忆效应
• 合金形状记忆效应实质：在温度和应力作用下，合金内部热学，马氏体相变的自由能变化为：
G(T) P→M = Gc P→M + Gnc P→M + Gs
• 马氏体对称性低，{128}晶面组的各个晶面不等效， <2 1 0>晶向组的各个晶 向也不等效.
• 由马氏体逆转变回母相时，没有多个1等效的取向关系．马氏体只能按其在母 相中形成的取向关系逆转变回母相．这样，马氏体逆转变完成后，母相在晶 体学上回复到马氏体相变前的状态．这一晶体学上的回复以及相变热力学上 的可逆性是形状记忆效应的基础．
7
对于Cu-Zn-Al合金，母相与马氏体间取向关系：
(1 1 0)P //(12 8)M
[111]p // [ 210]M，
(110)p偏离(001)M约4°
8
• 母相具有立方晶系高对称性: – {110 }晶面组的6个晶面: (110), (1 1 0) , (101), (10 1) , (011), (01 1) 等效; – <1 1 1>晶向组的4个晶向：[111]、[1 1 1]、[1 1 1]、[11 1] 等效. – 按六个等效晶面、四个等效晶向组合，共有24个等效取向关系. – 单晶母相中形成马氏体时，马氏体按这24个等效取向关系形成，获得24 个不同位向的马氏体，每个位向的马氏体称为马氏体的一个变体．

形状记忆合金PPT课件

形状记忆合金PPT课件
在TiNi合金中掺杂Au或Pt可以显著提高合金的相变温度，使之 成为高温形状记忆合金，加入Nb可以使相变热滞增大到140℃ ，而加入Cu后相变热滞则锐减至4 ℃。
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忆合金中。
形状记忆合金使用中的问题
形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只 要受热就能恢复原状，有时可残留永久变形。
图2 钢的马氏体转变
图3 马氏体相和母相化学自由能差随 温度变化与马氏体相变的关系
热驱动力与弹性能平衡，称之为热弹性平衡，此时 马氏体将停止生长。热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体 不一样，通常它比母相还软。
形热 貌弹 的性 明马 场氏 像体
箭 状
图4 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大) 图5 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)
形状记忆合金
Shape Memory Alloy
主要内容
形状记忆合金的发展 形状记忆合金的原理 形状记忆合金的分类 形状记忆合金的制备 形状记忆合金的应用
形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。
德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温区淬 火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散 形式转变为体心立方结构，得到的组织以他的名字 被命名为马氏体。
形状记忆效应原理
形状记忆合金在一定范 围内发生塑性变形后， 经加热到某一温度后能 够恢复变形，实质是热 弹性马氏体相变。
马氏体在外力下变形成 某一特定形状，加热时 已发生形变的马氏体会 回到原来奥氏体状态， 这就是宏观形状记忆现 象，如右图所示。
图6 形状记忆效应 过程的示意图
形状恢复完全可逆需具备以下条件：

形状记忆合金原理PPT课件

形状记忆合金原理PPT课件

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• 马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称 为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在 奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7）。马氏体形成时和母相
• 的界面上存在大的应变。
• 马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度 开始转变为马氏体，把这温度 标作Ms,加热时马氏体逆 变为母相，开始逆变的温度标为As。它们所包围的面积 称为热滞面积, 相变时的协作形变为范性形变时，一般 热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合 金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚
马氏体
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变 形 的 三 种 形 式
图3-3 形状记忆效20应21的三种形式
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Question：
F
上述弹簧是否属于记忆合金？
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• 补充知识：
• 马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、 增强的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织 命名为马氏体。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20 世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和 合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和 Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前 广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。
•
马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或
顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺
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1、马氏体相变
共析碳钢C曲线图
马氏体转变有一上限温 度，这一温度称为马氏 体转变的开始温度，用 Ms表示。
马氏体转变还有一个下 限温度，用Mf表示，当 奥氏体过冷到Mf以下时 转变也不能再进行了。 称为马氏体转变的下
限温度或马氏体终了
点。也就是说马氏体
转 变 是 在 Ms—Mf 之 间 进行的。
2、形状记忆合金的马氏体相变 • 普通马氏体相变 • 热弹性马氏体相变
• 在心脏、下肢和静脉中形成 的血栓被剥离后，通过血管 游动到肺时发生肺栓塞。
• 必须通过服用抗凝剂或外科 切除术进行治疗，但这两种 治疗法都有危险，特别是内 出血时用抗凝剂不能止血。
• 美国用TiNi合金丝试制了用 来阻止游动于静脉中的凝血 块的过滤器。
血栓过滤器
时效后的马氏体会表现的 更加“稳定”，其表现为 从马氏体相回到母相的逆 相变转变温度Af会升高。
有序性，是为了 阻止原子的扩散。
为了维持有序性， 原子就不能乱跑。
具有形状记忆效 应的NiTi合金的 成分就在近等原 子比的范围内
Ti-Ni合金相图
注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随后 的冷却不够快(如炉冷)，就会产生Ti2Ni和Ni3Ti这三 个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而 破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。
Mf
TEMPERATURE
Ms
As
Af
Austenite
热滞后，反映的是马氏体转变的阻力！
2、形状记忆合金的马氏体相变
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金中的两种相 高温相：奥氏体（通常为立方晶系）
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金中的两种相
低温相：马氏体（通常为斜方相）
正常马氏体
孪生马氏体
马氏体相变是无扩散相 变之一，相变时没有穿 越界面的原子无规行走 或顺序跳跃，因而新相 （马氏体）承袭了母相 的化学成分、原子序态 和晶体缺陷。马氏体相 变时原子有规则地保持 其相邻原子间的相对关 系进行位移.
1、马氏体相变
形象对说，马氏体相变就像解放军走分列式， 各原子“动作整齐，步调一致”。
1、马氏体相变
温度
2、形状记忆合金的马氏体相变
普通铁碳合金：
• 非热弹性长到最终大小，且不会因 温度降低而再长大。
非热弹性马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆合金：
• 热弹性马氏体相变
• 其相变温度滞后约几十 度，有的形状记忆合金 只有几度的温度滞后
Martensite
M—马氏体
1、马氏体相变
四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多有色金属 及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到冷却过程中 发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发 生的马氏体转变。 由于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为： “ 在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏 体 ”。把以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马 氏体相变。
1、马氏体相变
相变会产生相界面
(a) 共格界面
(b) 半共格界面 (c) 非共格界面
1、马氏体相变
从原子迁移情况来分
扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子 在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的 转变。 无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变， 如马氏体相变。
1、马氏体相变
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状恢复完全可逆需具备以下条件： ➢马氏体相变是热弹性的 ➢母相和马氏体呈现有序的点阵结构 ➢马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现 ➢马氏体相变在晶体学上是可逆的 ➢母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（E热）来 驱动马氏体相变
3、有序结构
Different phases of an SMA
• 冷却过程中形成的马氏 体会随温度的变化而继 续长大或收缩，母相和 马氏体相的相界面表现 出弹性式的推移，在相 变的全过程中一直保持 着良好的协调性
热弹性马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
Martensite (twinned)
Mf
TEMPte
Martensite (twinned)
然后对弯曲的别针加 热，将回复到原始形 状。
2、形状记忆合金的马氏体相变
形状记忆效应示意图
如果材料同时具有热弹 性马氏体相变和应力马 氏体相变。
①先将奥氏体冷却变为 马氏体。
②在马氏体区域进行变 形
③在温度的作用下自动 变为奥氏体。并回复形 状。
2、形状记忆合金的马氏体相变
钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？
扩散型相变就像团体操，原子从有序的A状态转变 为B状态。转变过程中，各原子有长程的，看似紊
乱的热运动（也就是扩散）。
1、马氏体相变
早在战国时代人们已经知道可以用淬火(即将钢加热 到高温后淬入水或油中急冷) 的方法可以提高钢的 硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。
十九世纪未期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程 中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的 变化。为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的 德国冶金学家Adolph Martens，法国著名的冶金学 家Osmond建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏 体”，并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体 转变。
马氏体相变 与形状记忆合金
目录
1、马氏体相变 2、形状记忆合金的马氏体相变 3、有序结构 4、形状记忆合金的训练 5、超弹性合金
1、马氏体相变
相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。
相变表现为： 1）从一种结构转变为另一种结构。 2）化学成分的不连续变化。 3）物质物理性能的突变。
实效过程，会形成第二相
马氏体时效效应可以形象
的理解为：用记忆合金制
2、形状记忆合金的马氏体相变
温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体
2、形状记忆合金的马氏体相变
宏观形状 发生改变
完成转变的应力 开始转变的应力
温度和应力作用 下得到的马氏体 形态不同。在应 力作用下，对孪 生马氏体进行变 形，使其转变为 退孪生马氏体。
2、形状记忆合金的马氏体相变
应力卸载后，宏观形 状改变得到保留。