1 形状记忆合金
摘要：二十一世纪将是材料一电子一体化的世纪。作为新型功能材料家庭中的重要成员，形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用。由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器，在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势。
关键词：形状记忆合金，形状记忆效应，超弹性，应用
引言：记忆是人类和某些动物才具有的本领，但是有一些金属材料也具有“记忆”的功能，而且这种记忆功能有着重要作用。1951年人们首次在Au—Cd合金上发现独特的形状记忆效应，但直到1963年美国海军武器实验室发现TiNi合金具有形状记忆效应时，才引起人们对形状记忆合金的实用性寄予了很大的希望。迄今为止，已发现有20多种形状记忆合金，在工业自动化、能源、航空、航天、运输、建筑、医疗、家电、仪器仪表以及日常生活用品等领域已得到广泛应用。
正文：
一，形状记忆效应
形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称为SMA)是一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种能力被称为形状记忆效应(Shape
memory Effect，简称为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，才具有利用价值。
到目前为止，应用得最多的是Ni—Ti合金和铜基合金(CuZnA1和C Ni)。最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang和Read，他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958年，在铜 (CuZn)中也发现了类似的现象。直到1962年，当Buehlerh和Co Workers在等原子的Ni—Ti合金中发现了SME后，对SMA冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中，市场上出现了大量的利用SMA制造的产品。
形状记忆效应主要分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应3种类型，如图1所示。 2
浅谈形状记忆合金材料
引言：时代的发展与材料的发展是相辅相成的。随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。现如今材料的研究越来越专业化，并且逐渐倾向于功能化、多样性。例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。
一、 形状记忆合金及形状记忆效应
形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。
1、形状记忆合金分类
到目前为止，被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来，应用在各行各业，以满足各种不同的特殊需求。 （a）Ti-Ni形状记忆合金开发的最早，形状记忆效应最稳定，相对比较成熟，已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵，且加工成本高等因素，其应用受到限制。
（b）Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。
（c）Fe基形状记忆合金发展较晚，成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势，被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料，受到广泛的关注。
2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件
1 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，
形状记忆合金及其应用
、何为形状记忆合金
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( Shape Memory Alloy ， SMA )。这种能够记住其原始形状 的功能称为形状记忆效应( Shape Memory
Effect ，SME )。
二、形状记忆合金的分类
SMA 的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下 降而继续生长，
如果温度上升它又会减少， 以完全相反的过程消失。 两项自由能之差作为相 变驱动力。两项自由能相等的温度 T0 称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度 T0 时才会 产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度
T0 时才会发生逆相变。
在 SMA 中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏 体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系 。
按照记忆效应不同，可分为三类：
单程记忆效应： 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。
双程记忆效应： 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。
全程记忆效应： 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。
三、形状记忆合金的物理模型
虽然早在上个世纪 30 年代，人们就发现了一些合金的形状记忆效应， 但是直到 70 年代 Muller 等人提出 SMA 材料的本构关系模型以来，有关形状记忆合金的机理和本构模型的研 究才取得了一定的进展 [1] 。
SMA 的模型可大致分为两类：微观热力学模型、宏观现象学模 型。
微观热力学模型有助于了解材料宏观特性的微观机理，揭示 SMA 的物理本质。微观热 力学模型主要有从相界运动的动力学角度给出的本构模型和以能量耗散理论为依据的细观 力学模型 [2,3] 。这些集中在 SMA 材料的微观热力学模型方面的描述， 有助于人们更好的认识 其本质，为其在工程中的应用打下良好的基础，但是难以被应用于工程实际问题的分析。
