低温形状记忆合金的相变温度变化

形状记忆合金原理形状记忆合金是一类具有记忆性能的金属材料，其主要原理是基于相变的特性。

相变是指材料在经历温度或应力变化时发生的结构转变。

形状记忆合金通常由几种金属元素组成，例如镍钛合金（NiTi）和铜铝锌合金（CuAlNi）。

形状记忆合金的记忆性能源于其晶格结构的可逆变化。

当形状记忆合金处于高温相态时，晶格结构会发生变化，并具有较高的韧性和可塑性。

当温度降低到临界温度以下，形状记忆合金将会发生一种相变，晶格结构会从高温相态转变为低温相态。

在低温相态下，形状记忆合金呈现出预先确定的形状。

当应力作用于合金时，合金会发生形状改变，但一旦应力消失，形状记忆合金又会恢复到其原始的形状。

这种自身恢复的能力使形状记忆合金具有很多应用潜力。

形状记忆合金的形状记忆效应主要由两个过程共同作用实现：弹性变形和相变。

弹性变形是指在外力作用下形状记忆合金发生可逆的弹性应变。

具体来说，当外力作用后，合金中的晶格结构发生畸变，但并未达到破坏点，而是在去除外力后通过弹性回复恢复到初始形状。

相变是指合金在温度变化下发生的晶体结构相变。

当外力去除后，合金通过温度的改变实现形状的记忆效应。

当温度回升到一定临界温度时，材料会由低温相态变为高温相态，晶格结构发生改变，形状记忆合金将会失去形状记忆效应。

当温度再次降低时，合金将再次回到低温相态，并恢复原始形状。

形状记忆合金由于其独特的记忆性能，在多个领域得到广泛的应用。

例如，医疗领域中的支架器械和牙套、航空航天领域中的航空零部件以及汽车工业中的发动机零部件等。

形状记忆合金的原理使得这些设备能够适应不同的环境和应力变化，增强了其稳定性和可靠性。

形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指在外力驱动下可以产生形状记忆效应的金属合金，其最重要的特性是在一定范围内可以自恢复原始形状，同时具备优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能及高温稳定性等优点。

SMA最早是在1962年由William Buehler 提出的，自此以后，SMA就被广泛研究并应用于不同领域。

SMA的特性是由其所具备的晶体结构和相变特性所决定的，SMA常见的结构类型有Cu-Zn-Al、Ni-Ti、Cu-Al-Ni、Fe-Mn-Si等。

其中，最为常用的是Ni-Ti SMA，这种合金具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，是目前最为常用的SMA之一。

当SMA处于高温相（austenite相）时，晶体结构稳定，SMA可以被加工成任意形状。

当外界作用力使SMA在相变温度下降到低温相（martensite相），晶体结构失稳，原本具有的形状记忆效应就会被激发出来。

这种相变是可逆的，可以产生与消失形状记忆效应，从而使SMA表现出自修复、自调整和自适应等功能，被广泛应用于机械、微机电、汽车、医疗等领域。

SMA在机械系统中有广泛应用，例如：在阀门、制动系统、传感器和运动控制系统中使用的SMA弹簧、阀杆、马达和块体，以及金属粉末成型制造的SMA零件，可以安装在汽车和航空航天系统上，在温度和振动变化等条件下，能保障系统的性能稳定和安全可靠。

SMA在医疗系统中的应用也非常广泛，例如利用SMA刀具控制机械手的运动，可以在手术中进行精确的切割和缝合。

同时，利用SMA在不同温度下的形状变化，可以制造热敏支架、热敏钩子和热敏衬垫等医疗器械，可以在体内完成自动放置和释放、自由展开和收缩等操作，很好地解决了手术中的一些难题。

SMA还广泛应用于微纳机电系统（MEMS）中，例如利用SMA薄片可控制悬臂梁的挠度和弯曲，从而实现无线通信、火灾预警、生物传感和关节外科等微型器件。

此外，利用SMA 的变形能力和自恢复特性，也可以制造可变形的电缆、活塞和电子插头等调节设备，实现快速、准确、稳定和可靠的微调控制。

固态相变原理的应用实例1. 简介固态相变是指物质在固态下由于温度、压力或组分的改变而引起的晶体结构或性质的变化。

固态相变原理的应用已经广泛涉及到多个领域，例如材料科学、电子器件、能源储存等。

本文将介绍几个固态相变原理的应用实例，以展示其背后的基本原理和实际应用。

2. 智能材料2.1 形状记忆合金形状记忆合金是一种特殊的智能材料，其具有两种不同的晶体结构：一种是高温相，一种是低温相。

当形状记忆合金处于高温相时，其可以被加工成任何形状。

当温度降低到低温相的时候，形状记忆合金会发生固态相变，恢复成其记忆的形状。

应用实例： - 弹性支架：在建筑结构中使用形状记忆合金作为弹性支架，在地震等外力作用下，可以通过相变来吸收和释放能量，从而减小结构的损伤。

- 器械控制：在微型机器人和微电机等器械中使用形状记忆合金控制器件的伸缩和形状改变。

2.2 热敏电阻热敏电阻是一种基于固态相变原理的电子器件，根据材料在温度变化下电阻值的改变而工作。

热敏电阻通常使用金属氧化物材料制成，当温度升高时，材料中的电子活跃度增加，电阻值降低，从而实现电阻与温度之间的关联。

应用实例： - 温度测量：热敏电阻可用于温度传感器和温度控制器的制造。

将热敏电阻与电路连接，根据电阻值的变化来测量温度的变化。

- 温控电路：将热敏电阻与温控电路相结合，实现对温度的精确控制，例如家用电热水器中的温度控制部分。

3. 相变储能3.1 磁相变材料磁相变材料是一种通过改变温度或磁场来引发固态相变的材料。

在相变过程中，磁相变材料的磁性质会发生显著的变化，从而实现能量的储存和释放。

应用实例： - 储能磁体：磁相变材料可以制成磁体，用于储存电能。

当电能输入时，磁相变材料中的磁化程度发生变化，储存了一定量的能量。

当需要释放储存的能量时，可以通过改变温度或磁场，引发相变过程，释放储存的能量。

- 磁性制冷：磁相变材料的相变过程具有吸热和放热的特性，可以用于制冷。

将磁相变材料制成制冷器件，通过改变温度或磁场来实现制冷效果。

温度改变发生形变的材料1. 引言温度是物质性质发生改变的重要因素之一。

许多材料在温度变化时会发生形变，即尺寸、形状或体积的改变。

这种形变可以是可逆的，也可以是不可逆的。

本文将探讨温度改变对材料性质和形变产生影响的原理，并介绍几种常见的温敏材料及其应用。

2. 材料性质与温度关系材料在不同温度下具有不同的性质，这与其分子结构和原子间相互作用有关。

一般来说，随着温度升高，分子或原子活动增加，材料的热膨胀系数增大，导致尺寸或体积增加。

而在低温下，分子或原子活动减弱，材料则会收缩。

此外，温度还会影响材料的机械性能和电学性能等方面。

例如，在高温下，金属强度和硬度通常会降低；某些聚合物在高温下会软化甚至熔化；半导体材料中电阻率随温度变化呈现特定规律等。

3. 温敏材料及其应用3.1 金属材料金属是一类常见的温敏材料。

随着温度的升高，金属会发生热膨胀，导致尺寸增大。

这一性质被广泛应用于各种工程领域，例如：•温度传感器：利用金属材料的热膨胀性质设计制造温度传感器，测量温度变化。

•热力学控制系统：通过利用金属材料的热膨胀特性来实现机械设备的自动调节和控制。

•热电偶：利用两种不同热膨胀系数的金属线制成，测量温度差异。

3.2 聚合物材料聚合物是另一类常见的温敏材料。

根据不同的聚合物结构和组分，其在温度变化下表现出不同的形变特性。

以下是几个典型示例：•形状记忆聚合物：这种聚合物具有记忆形状能力，在特定温度下可以恢复到其预设的形状。

这一特性被广泛应用于医疗器械、纺织品等领域。

•热收缩材料：这种聚合物在加热时会发生收缩，可以用于电线电缆的绝缘和保护。

•热塑性聚合物：这类聚合物在高温下可以软化，便于加工成型。

在冷却后则可以保持其形状。

3.3 智能材料智能材料是一种集传感、响应和控制功能于一体的新型材料。

温度改变发生形变的智能材料有很多种类，如压电材料、形状记忆合金等。

它们可以通过外界温度变化实现自主调节和控制。

以下是几个例子：•压电陶瓷：压电陶瓷在受到外界温度变化刺激时，会产生电荷分离和机械位移，可用于传感器、声音放大器等领域。

铜基形状记忆合金
铜基形状记忆合金（Copper-based shape memory alloy）是一种由铜为基础元素的材料，具有形状记忆效应。

形状记忆合金是一类特殊的合金材料，其具有在经历塑性变形后，能够恢复到其原始形状的能力。

铜基形状记忆合金是其中一种常见的形状记忆合金，其特点是具有高密度、高强度、高弹性模量和良好的机械性能。

铜基形状记忆合金的形状记忆效应是通过固溶体相变和马氏体相变来实现的。

在低温下，铜基形状记忆合金处于马氏体相态，具有一定的形状可塑性。

当受到外力或外界温度的作用后，铜基形状记忆合金会经历固溶体相变，转变为奥氏体相态，并产生可逆的弹性形变。

当外力或温度条件恢复到原始状态时，铜基形状记忆合金会再次发生相变，并恢复到原始形状。

铜基形状记忆合金具有广泛的应用领域，包括自动调节器件、医疗器械、火箭发动机、机械阀门等。

其中，其在医疗领域的应用尤为重要，如支架植入术中使用的支架和矫形器等。

总而言之，铜基形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的合金材料，其广泛应用于各个领域，并展示出良好的机械性能和应用潜力。

收稿日期:2003210231;修订日期:2004205218基金项目:总装预研资助项目文章编号:100026893(2004)0620611204Ti NiMo 形状记忆合金的相变、形状记忆效应与力学性能研究丁　振,刘福顺,李　岩,徐惠彬(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京　100083)Study on Phase T ransformation B ehaviors ,Sha pe Memory E ffects andMechanical Properties of TiNiMo Shape Memory AlloysDIN G Zhen ,L IU Fu 2shun ,L I Yan ,XU Hui 2bin(School of Materials Science and Engineering ,Beijing University of Aeronautics andAstronautics ,Beijing 100083,China )摘　要:研究了TiNiMo 形状记忆合金的相变特性、形状记忆效应和力学性能,结果表明:TiNiMo 合金存在一个R 相变,Mo 的加入降低了TiNi 合金的马氏体相变开始温度(Ms ),Ti 50Ni 48.5Mo 1.5和Ti 50Ni 48Mo 2.0合金的Ms 分别达到了-85℃,-103℃,这两种合金分别在8.51%和8.26%的预应变下获得了8.06%和7.71%的形状记忆效应。

Ti 50Ni 48Mo 2.0合金的屈服强度和抗拉强度分别为589MPa 和799MPa ,比Ti 50Ni 48Fe 2.0的相应强度分别高73%和31%,同时Ti 50Ni 48.5Mo 1.5的力学性能也较为优异,因而TiNiMo 合金是很有发展潜力的新型的记忆合金接头材料。

关键词:TiNiMo 合金;相变特性;形状记忆效应;力学性能;管接头中图分类号:V252;TG 139+16 文献标识码:AAbstract :Phase transformation behaviors ,shape memory effects and mechanical properties of TiNiMo shape memo 2ry alloys are investigated.It is found that a R phase transformation exists in TiNiMo alloy ,and the adition of Mo will lower the martensite start (Ms )temperature of TiNi alloy ,and that the Ms temperatures of Ti 50Ni 48.5,Mo 1.5and Ti 50Ni 48Mo 2.0alloys are -85℃and -103℃,respectively.The two alloys will gain 8106%and 7.71%shape memory effects under 8.51%and 8.26%pre 2strain ,respectively.The yield strength and breaking strength of Ti 50Ni 48Mo 2.0alloy ,measured to be 589MPa and 799MPa ,are 73%higher and 31%higher than the corres ponding strengths of Ti 50Ni 48Fe 2.0,respectively.Furthermore ,Ti 50Ni 48.5Mo 1.5alloy also exhibits excellent mechanical properties.Therefore TiNiMo alloys are very potential when used as new joint materialsK ey w ords :TiNiMo alloy ;phase transformation behavior ;shape memory effect ;mechanical property ;pipe joint TiNi 基形状记忆合金具有优异的记忆特性和超弹性、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性,因而在航空航天、生物医用等领域获得了广泛的应用[1]。

形状记忆合金090201 王晓刚20090573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后，通过加热到某一临界温度以上又可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。

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)。

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时候,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。

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，不断丰富和完善了马氏体相变理论。

在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，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。

形状记忆合金应力应变曲线
形状记忆合金的应力应变曲线可以根据其相变特性分为两个阶段。

1. 学习阶段（Martensitic phase）
- 应变处于较小范围内时，形状记忆合金处于单相Martensitic
相（低温相）。

- 在该阶段下，应力-应变曲线呈现线性关系，随着应力的增加，应变也随之增加。

2. 回复阶段（Austenitic phase）
- 当形状记忆合金受到一定的应力并超过所谓"回复温度"时，
合金相变为奥氏体相（高温相）。

- 在此阶段下，应力-应变曲线的形状由整个应变区域决定，该区域通常被称为“板au（austenite）相”，应力增加不再引起应
变的线性增加。

- 一旦应变达到一定程度，形状记忆合金将开始恢复其原始形状。

- 在达到应力峰值后，应力-应变曲线会出现一个平台，表示形状记忆合金正处于恢复形状的阶段。

- 一旦超过回复温度，合金将完全回复其原始形状。

总体来说，形状记忆合金的应力-应变曲线在学习阶段呈现线
性关系，在回复阶段呈现一个平台，表示合金正在恢复其原始形状。

形状记忆合金本构模型形状记忆合金是一种特殊的材料，其可以在受到外界温度或应力刺激时，发生可逆的形状变化。

这种材料广泛应用于许多领域，如机械工程、医学、航空航天等。

本文将介绍形状记忆合金的本构模型及其应用。

我们来了解一下形状记忆合金的基本原理。

形状记忆合金由一种或多种金属元素组成，其中最常见的是镍钛合金。

在室温下，形状记忆合金处于高温相，其晶胞结构呈现为立方晶系。

当形状记忆合金被加热至特定温度时，会发生相变，晶胞结构从高温相转变为低温相，这种相变伴随着形状记忆效应的产生。

形状记忆效应可以分为两种类型：单向记忆效应和双向记忆效应。

单向记忆效应是指形状记忆合金在经历相变后，只能恢复一种形状。

而双向记忆效应则可以使形状记忆合金在经历相变后，能够在不同的温度下恢复不同的形状。

对于形状记忆合金的本构模型，最常用的是热力学模型和力学模型。

热力学模型基于能量的最小化原理，通过定义自由能函数来描述形状记忆合金的力学行为。

力学模型则基于应变和应力之间的关系，通过弹性力学理论来描述形状记忆合金的应力响应。

热力学模型中最常用的是Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD)模型，该模型基于自由能函数的展开，将自由能函数表示为温度、应力和应变的幂级数。

通过对自由能函数的优化，可以得到形状记忆合金的相变温度、相变压力以及相变应变等参数。

力学模型中最常用的是线性弹性模型和非线性弹性模型。

线性弹性模型假设形状记忆合金在相变过程中的应变与应力之间存在线性关系，通常使用Hooke定律描述。

非线性弹性模型则考虑了相变过程中的应力-应变非线性效应，常用的模型有Kachanov-Rabotnov模型和Smith-Lemaitre模型等。

形状记忆合金的应用十分广泛。

在机械工程领域，形状记忆合金可以用于制造具有自修复功能的材料，如自修复机械零件和自修复管道。

在医学领域，形状记忆合金可以用于制造可植入人体的支架、导丝和血管等医疗器械。