第五章 形状记忆合金
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浅谈形状记忆合金传统观念认为,只有人和某些动物才有“记忆”的能力,非生物是不可能有这种能力的。
难道合金也会像人一样具有记忆能力吗?答案是肯定的,形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。
形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象,即它能记忆母相的形状。
具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素的合金,这样的合金成为形状记忆合金。
其主要技术指标如下:机械性能:拉伸强度:700-900Mpa(热处理)延伸率:15-30%形状记忆功能:单程(N=1)6-10%,双程(N=10-107)0.5-5%物理性能:密度:约6.5g/cm3.热膨胀系数:10-106/℃.熔点:约1300℃,导弹率:0.209W/cm℃(室温). 比热:6-8Cal/mol℃电阻率:(50-110) ×10-6chm.cm。
那么形状记忆合金是如何被发现,原理是什么,有哪些具体的应用,又经历了怎样的发展呢?在接下来的文字中你将找到答案。
1963年,美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝,他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。
为了使用方便,于是就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。
在后续试验中一种奇怪的现象出现了:当温度升到一定值的时候,这些已经被拉得笔直的合金丝,突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状,而且和原来的形状丝毫不差。
再反复多次试验,每次结果都完全一致,被拉直的合金丝只要达到一定温度,便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。
就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状,而当温度升高到一定值的时候,它们突然“苏醒”过来了,又“记忆”起了自己原来的模样,于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。
形状记忆合金可以分为三类:单程记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。
如图1所示,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。
形状记忆合金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。
形状记忆合金的“记忆”性能源于马氏体相变及其逆转变的特性,如图1所示。
母相为有序结构的奥氏体(a),温度降低时原子发生位移相变,变为比母相柔软的热弹性马氏体(b);在马氏体存在的温度区间中受外力作用可产生变形,成为变形马氏体(c)。
当加热到一定温度时,出现逆转变,即马氏体转变为奥氏体,晶体恢复到高温母相,其宏观形状也恢复到原来的状态。
可见形状记忆合金“记忆”的是高温奥氏体的形状。
具有形状记忆效应的合金主要有Ti-Ni 系、Cu-Zn-Al 系以及Cu-Al-Ni 系合金。
形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百,即恢复到和原来一模一样的形状,更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。
形状记忆合金的应用非常广泛,广为世人所瞩目,被誉为"神奇的功能材料"。
(1)作合金管接头:先在转变温度以上把镍钛合金管接头按密封要求尺寸进行加工,使其内径比所要连接管子的外径小4%;然后,在液氮低温下将管接头直径扩大,使其内径比所要连接管子的外径稍大(大4%)并连接起来;在常温下自然升温或加热到转变温度以上,镍钛合金发挥形状记忆效应,管接头自动收缩,管径变细,恢复到第一次加工的尺寸,把两根管子紧紧地连到一起。
美国F-14型飞机的液压系统中,平均每架要用800个形状记忆合金接头。
自1970年以来,美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头,没出现过一次失效的记录。
(2)作航天天线:将形状记忆合金做成大型伞状天线,在马氏体状态下收缩成一小团以便于卫星携带。
卫星入轨后在阳光照射下升温,天线自动打开。
如图2所示。
(3)作热敏感驱动器:形状记忆合金具有感温和驱动的双重功能,可用于设计制造控制装置,如控制水管水温的弹簧、自动开启或关闭暖气的阀门、消防报警装置及电器设备的保安装置等。