形状记忆合金介绍
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形状记忆合金形状记忆合金简称「记忆合金」,是一种功能性金属材料,能在一定条件下恢复原来的形状。
换句话说,这种合金对形状有记忆能力,而且它的「记性」相当好,有些在反复改变500万次后,仍能在一定条件下恢复原状,普通金属就没有这个本领。
「记忆合金」具有记忆能力,这是在偶然情况下发现的。
1958年美国某海军研究员奉命研制新式武器,并领回了一些镍钛合金丝。
由于这些合金丝弯弯曲曲,研究人员就把它们一根一根拉直。
但在实验过程中却惊奇地发现,当温度升到某定值时,镍钛合金丝竟然全部恢复到原来弯弯曲曲的形状。
即使多次反复试验,结果还是相同。
「记忆合金」为什么具有记忆能力呢?金属是由相同原子紧密堆积而成的,合金则是由不同的金属原子堆积形成的。
由于金属原子的大小和结构各有不同,合金形成的条件也相异,因而形成不同的晶体结构,分为「沃斯田体结构」和「麻田散体结构」,两种结构间的转换则称为「沃斯田体相变」。
一般都认为「记忆合金」具有麻田散体相变,加热到相变温度时,就从「麻田散体结构」转变成「沃斯田体结构」,恢复原来的形状。
换句话说,具有「麻田散体相变」的合金,在相变温度时具有记忆能力,这种相变温度就称作「记忆合金」的「记忆温度」。
到目前为止,已知具有形状记忆能力的合金主要有3类:铁基合金;镍–钛合金;铜基合金,如铜–锌–铝、铜–铝–镍等。
这些「记忆合金」各有千秋,如镍–钛合金的性能好,可靠性强,但价格贵。
铜基合金价格较便宜,只有镍–钛合金的10%,但可靠性差。
至于铁基合金的价格则最便宜,刚性好,强度也大,又易加工。
此外,金–镉、铟–铊合金也具有记忆能力,但因价格太贵了,应用并不多。
记忆合金由于具有特殊的记忆功能,得以广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源、自动化等方面。
镍–钛合金的应用比较广泛,因为它的「记忆温度」可以藉由成分来调节。
一般来说,镍含量高的记忆温度就会降低。
例如,50%镍和50%钛的合金记忆温度是摄氏40度,但55%镍和45%钛的合金在室温下就具有记忆能力了。
•形状记忆效应:具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料),在某一温度下(处于马氏体状态M f 进行一定限度的塑性变形后,通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消失温度A f )上时,材料恢复到变形前的初板条马氏体钢的淬火5•Monoclinic Crystal StructureTwinned Martensite 自协作马氏体Detwinned Martensite非自协作马氏体8发生塑性变形后,经加热到某一温度后能够恢复变形,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形状记忆效应过程的示意图马氏体相变热力学相变产生,M相的化学自由能必须,不过冷到适当低于T0(A相和M相化学自由的温度,相变不能进行,必须过热到适当高于T0的温度,相变才马氏体相和母相化学自11马氏体相变热力学低于Ms温度下,马氏体形成以后,界面上的弹性变形随着马氏体的长大而增加;当表面能、弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与变化学自由能的减少相等时,马氏体和母相间达到热弹性平衡状态,马氏体停止长大。
CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)温度继续下降,马氏体相变驱动力增加,马氏体又继续长大,也可能出现新的马氏体生长。
温度升高,相变驱动力减小,马氏体出现收缩。
CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)16伪弹性应力应变示意图17f(a) Shape Memory Effect (b) Superelasticity[100][111]冷却形状记忆效应的三种形式(a)单程(b)双程(c)全程22(a)马氏体状态下未变形(b)马氏体状态下已变形)放入热水中,高温下恢复奥氏体状态,形状完全恢复单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况24没放入热水前放入热水后冷却至室温后再次放入热水后双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况TiNi合金的全程记忆效应(100℃-室温)TiNi合金的全程记忆效应(低温-100℃)铁磁性形状记忆合金简介温控形状记忆铁磁性铁磁性形状记兼有磁致伸缩材料和传统温控形状记忆材料的优点响应频率快磁致应变大The magnetic easy axis changes from one twin to the other•Weak magnetic anisotropy.Effect of a magnetic fieldWeak anisotropy Strong anisotropyIn systems with strong anisotropy and highly mobile boundaries, field inducedet al. J.Appl.Phys. 92,3867 (2002);Moya et al. Phys. Rev. B 73, 64303 (2006); 74, 24109 (2006).)33(1) Via martensite variant reorientation-Ni2MnGa(2) Via magnetic field induced martensitictransformation-NiMnIn(Sn,Sb)37Ni 2MnGa -crystal structureNi 2MnGa is the most successful magnetic shape memory alloy. It transforms from the Heusler cubic structure to tetragonal on cooling. A 6% magnetic field induced tensile strain hasbeen recorded in a single crystal, by the mechanism of martensite variant reorientation.The absence of a thermal effect makes it suitable for high frequency operations. The mechanical work output, however, is muchlower than those of thermal SMAs .ΔV= -1.30%:The volume change is large. The material is an intermetallic compound and is intrinsically brittle Îtransformation induced cracking . The problem is much less severe with single crystals.Tetragonal MartensiteCubic Austenite-4.45%1.63%aac aaa[100]c expansion by 1.63%[001]c contraction by –4.45%The tetragonal structure is mechanically anisotropic. Themaximum linear strain is when axis [001] is converted to [100]: ~6%Mn Ni38c c(110)c plane of AccNi 2MnGa –structural anisotropy of M(110)c T w i n p l a n e[100]c projection plane of A [100]c projection plane of MMarioni , JMMM, 290-291 (2005) 35Now we have got a working mechanism for shape change39Ni 2MnGa –magnetic anisotropy(110)c[001]c(the c -axis of M)[001]c(the c -axis of M)Structure anisotropy Magnetic anisotropyThe tetragonal structure is a uniaxial structure magnetically. Its c -axis is theeasy direction of magnetization40Li et al, APL, 84, 3594 (2004).Ni 2MnGa –magnetic anisotropyWu et al: APL. 75, 2990 (1999).MartensiteAustenite[001]-3-23015.8x10J/g=4.5x10J/cm 2E H M μΔ=Δ=For a phase transformation at room temperature, the T ΔS energy is typically~80 J/cm 3The driving force is too small to induce austenite -martensite transformationCo 2NiGaNi 2MnGa41Possibility of magnetic fieldinduced deformation viamartensite reorientationMagnetization curves along easy ([001]) and hard([100]) axes of Ni 48Mn 30Ga 22constrained in single variant martensite. The magnetic driving force (energy) is ~0.08 J/cm 3. Likhachev: Phys. Lett. A 275 (2000) 142.Ni 2MnGa deformed along [100] direction at 300 K in martensitic state. Chernenko et al: Phys. Rev.B 69134410 (2004)The mechanical resistive force is ~1.5 MPa and the mechanical frictional energy is 0.09 J/cm 3Ni 2MnGa –magnetic anisotropycaac42Heczko et al. JMMM 226-230 (2001) 996NiMnGa43Heczko et al. JMMM 242–245 (2002) 1446Ni 2MnGa –magnetic field induced martensite reorientation6% strain is induced bymagnetic field via martensite reorientation. The strain is irreversible.NiMnGaFerromagnetic martensite/austeniteparamagnetic austenite/martensite47TiNi 形状记忆合金的应力应变曲线。
形状记忆合金shape memory alloy定义:具有形状记忆效应的合金。
一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,就产生塑性变形,压力消除后留下永久变形。
但有些材料,在发生了塑性变形后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应(SME)。
具有形状记忆效应的金属一般是由两种以上金属元素组成的合金,称为形状记忆合金(SMA)。
起源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"。
20世纪30年代,美国哈佛大学A. B. Greninger等发现CuZn合金在加热与冷却的过程中,马氏体会随之收缩与长大;1948年,前苏联学者库尔久莫夫预测到某些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、Read发现Au-47.5%Cd具有形状记忆效应;1963年,美国海军武器试验室(Americal navy Ordinance Laboratory)的Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应,并开发了Nitinol(Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory)形状记忆合金;70年代,CuAlNi也被发现具有形状记忆功能;1975年左右,FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆功能,并在工业中得到应用;1975年至1980年左右,双程形状记忆效应(Two Way Shape Memory Effect)、全程形状记忆效应(All Round Shape Memory Effect)、逆向形状记忆效应(Inverse Shape Memory Effect)相继被发现。
形状记忆合金原理形状记忆合金是一种特殊的金属合金,其最显著的特点就是可以记忆并恢复其原始形状。
这种合金最早由日本科学家中谷宣英于1932年发现,随后在20世纪70年代由美国研究人员彼得·真切洛斯发展起来,并在工程领域得到广泛应用。
形状记忆合金的晶体结构属于多晶体类型,晶粒之间通过晶界相互连接。
晶粒内部存在着两种不同的晶格结构:低温相和高温相。
在常温下,形状记忆合金处于低温相,具有较好的可塑性和强度。
但当受到外部力作用或热量提供时,形状记忆合金会发生相变,转变为高温相。
这种相变是可逆的,即当温度降下来时,合金又会从高温相变为低温相。
形状记忆效应是指当形状记忆合金从高温相变为低温相时,其原始形状能够得到恢复。
这个效应是由几种相变现象共同作用而实现的。
首先是弹性相变:当形状记忆合金处于低温相时,其晶体结构中存在着一些缺陷和形状失调。
这些缺陷会导致合金表现出较大的弹性变形能力。
但当温度提高到一定程度,合金会发生相变,形成高温相,并消除这些缺陷。
在高温相下,合金的弹性变形能力大为降低。
而当温度再次降低时,合金会再次形成低温相,缺陷也会再次出现,从而使合金具有了弹性变形的能力。
其次是相变滞后效应:当形状记忆合金在受力形变之后被加热时,合金中的晶粒会发生位错滑移,导致晶格结构发生变化。
但当温度降低时,位错滑移会发生相反的滑移,从而使合金恢复到其原始形状。
最后是相变应力效应:当形状记忆合金在高温相状态下受到外力形变时,合金会形成一个新的“记忆”形状。
当温度降低,合金发生相变时,新形状将受到弥补以恢复原始形状的应力。
形状记忆合金在工程领域具有广泛的应用。
例如在航空航天领域,可以用来制造可以自主修复的飞机结构和零件,从而提高航空器的安全性和可靠性。
在医疗领域,形状记忆合金可以用来制造支架、材料植入物和医疗器械,用于治疗骨折、心血管疾病等。
总的来说,形状记忆合金利用晶格结构的相变现象和弹性变形性能,实现了能够记忆和恢复形状的功能。
形状记忆合金介绍形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)是一种特殊的金属合金材料,具有特殊的能力可以记住并恢复其原始的形状。
这种材料可以在受到应力或温度变化时发生可逆的相变,与传统的金属材料不同,形状记忆合金拥有可塑性和形状记忆性能,使其在许多工业和科学应用中具有广泛的用途。
形状记忆合金最早是由美国海军的研究人员在20世纪60年代发现的,当时他们在试图找到一种用于制造可以回收利用的海上漏斗的材料。
他们意外地发现,在加热后这种合金会从受到挤压的形状恢复到原始形状。
这项发现引起了广泛的兴趣,并带来了许多关于形状记忆合金的研究与应用。
形状记忆合金的独特性质源于其原子结构的特殊排列。
在一定条件下,形状记忆合金通过两种相变(Austenite相和Martensite相)之间的相互转换来实现形状记忆效应。
当合金处于高温下时,原子结构会呈现出名为Austenite相的排列,此时合金处于高弹性形状。
当温度下降到临界温度以下时,合金会自发地转变为Martensite相,从而改变形状。
当再次加热合金时,它会恢复到原始的Austenite相形状。
形状记忆合金具有许多独特的性能和应用。
首先,它们具有良好的弹性形变能力,可以在受到应力时发生可逆的形变。
这使得形状记忆合金在医疗器械、航天航空等领域的应用十分广泛。
例如,在血管支架的制造过程中,形状记忆合金可以在体内经历较小的创伤,然后回复到原始形状,从而血管得以保持畅通。
其次,形状记忆合金具有优异的耐腐蚀性能,这使得它们在海洋工程、汽车制造等领域的应用广泛。
相较于其它材料,形状记忆合金在恶劣环境中的使用寿命更长,并且不会轻易受到腐蚀。
另外,形状记忆合金的温度相变性能使其具有温度感应的应用潜力。
例如,在建筑中,可以利用形状记忆合金的温度相变特性来控制窗帘、百叶窗等遮阳装置的开闭,从而实现智能化的节能设计。
形状记忆合金还具有记忆效应可逆性、高纯度制备等优点。
形状记忆合金定义形状记忆合金,又称为记忆合金,是一种具有记忆功能的金属材料。
被称为“材料的巨人”或“智能材料”,由于其独特的物理特性,已经成为现代工业中的重要材料之一。
它不仅可以自主改变形状,而且可以记忆原来的形状并在一定温度范围内进行形态识别和变形。
原理形状记忆合金主要是通过改变材料内部晶体结构来实现形状记忆功能。
其中最常见的形状记忆合金是一种双相合金,由晶体起始相和晶体终止相两个相组成,分别具有不同的形状和热特性。
当形状记忆合金受到作用力或温度改变时,晶格结构重新排列,相互作用能随之变化,从而导致形状和热特性的变化,从而实现形状的记忆和变形。
这种材料具有良好的形状记忆性和超弹性,可以广泛应用于机器人、人工心脏瓣膜、汽车零部件、航空航天等领域。
应用形状记忆合金的应用范围广泛,可以用于各种机械、电子、核能、航空和航天等领域。
其中曾被应用于航天飞机发射过程中的支撑结构系统中。
近年来,由于其优良的形状记忆性能,超弹性和良好的机械性能,在医疗设备中的应用越来越受到关注。
由于其出色的抗腐蚀性能和轻质化特性,这种材料也被广泛用于制造管道和储氢器。
值得一提的是,形状记忆合金不仅可以用于实体制造,还可以用于制造智能材料和微纳米器件。
因此,它有着广阔的发展前景和潜力。
发展趋势形状记忆合金是目前发展最快的材料之一,其研究领域广泛,应用领域也越来越广泛。
未来,随着国家对新型材料研究的不断重视和投入,形状记忆合金的应用领域将不断扩大,促进其技术的创新和发展。
预计未来数年内,形状记忆合金的市场需求将呈现逐年增长的趋势。
结论形状记忆合金作为一种具有独特属性和广泛应用领域的新型材料,拥有着广泛的市场前景和潜力。
随着现代工业的发展,它将在各个领域发挥越来越重要的作用,推动新型材料行业的蓬勃发展。
形状记忆合金的驱动性能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。
1 形状记忆合金的驱动原理形状记忆合金的特点主要有:形状记忆效应(Shape Memory Effect,缩写为SME)相变超性性能(Super Elasticity),弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。
其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。
形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。
如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形,那么将SMA 加热至一定温度后,马氏体就会转为奥氏体,SMA将回复到它刚刚开始时的形状,随后再进行冷却或加热,合金形状都将保持不变。
上述过程可以周而复始,称为单程形状记忆。
此外还有双群形状记忆合金和全方位记忆合金。
这种回复应力可用作结构控制时的驱动力,也可以用来直接控制结构的刚度。
弹性模量随温度变化特性是指,奥氏体SMA在高温下它的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上[7]。
这种特性主要可以用米改变的固有频率,从而避免共振。
2 形状记忆合金驱动器件在结构智能控制中,高性能驱动器件是实现控制的基础。
利用形状记忆合金在加热变形时其回复力可以对外做功的特点,能够做成各种形式的驱动器。
这类驱动机构结构简单,灵敏度高,可靠性好,能够满足智能控制的要求。
记忆合金驱动器的驱动力源于合金内部的固态相交,因而易于结构设计,可以在拉伸、压缩、扭转状态下操作。