主要的几类记忆合金及性能ppt课件

2020/9/23
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2020/9/23
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的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。

➢ 4、软磁性： 非晶态合金磁性材料具有高导磁率，高磁感, 低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。
➢ 5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸 氢能力，超导电性，低居里温度等特性，
3.2.2 非晶态合金的制备
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成 非晶体。也就是说，只要冷却速度足够 快．使熔体中原子来不及作规则排列就完成 凝固过程，即可形成非晶态金属。
通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过45个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。
短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。
(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周 围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短 程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元， 除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程 迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在 非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有 序的影响通常只局限于最近邻原子 。
但这类应用记忆衰减快、可靠性 差，不常用。
超弹性的应用。如弹簧、接线柱、 眼镜架等。
2） 医学应用
形状记忆合金在医学上也有应用。以Ni—Ti记忆 合金应用最有成效，由于Ni—Ti记忆合金具有良好 的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中有良 好的抗腐蚀性，我国已将其用于牙齿整畸、脊椎侧 弯哈氏棒、断骨愈合和妇女避孕环等，居世界先进 水平。有关用形状记亿合金制作人工心脏瓣膜、血 管过滤网、防止血栓的静脉过滤器等的研究，美国、 日本等国正在进行。
2）形状记忆效应(Shape Memory Effect)
具有形状记忆效应的材料，一般是两 种以上金属元素组成的合金，称为形状记 忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种：
(1) 单程记忆效应

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存在的问题
如材料成本、可靠性和循环寿命等方面的挑战来自需要不断研究和改进。3
发展前景
形状记忆合金将在未来的科技进步中发挥重要作用，为我们的生活带来更多便利 和创新。
结语
形状记忆合金的重要性
它不仅是一种材料，更是未来科 技发展的重要组成部分，将引领 我们走向更智能、高效的未来。
发挥形状记忆合金的作用
《形状记忆合金》PPT课 件
欢迎参加本次《形状记忆合金》PPT课件！在这里，我们将探索这项未来科技 的定义、原理、特点，以及其在医疗器械、航天航空、汽车工业等领域中的 应用。
什么是形状记忆合金
形状记忆合金是一种具有记忆效应的材料，可以在受力变形后回复到其原始 形状。它的原理是基于相变的晶体结构变化，拥有独特的特点。
包括熔融法、固相法和合金化 方法等，每种方法都有其适用 场景和优缺点。
制备工艺流程
从原料的选择和预处理到形状 记忆合金的合成和后处理，需 要严谨的工艺流程和控制。
实验室制备实例
展示了形状记忆合金在实验室 中的成功制备实例，为进一步 研究和应用提供了基础。
形状记忆合金的未来发展
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发展趋势
形状记忆合金将更加智能化和多功能化，结合其他材料和技术创新，应用领域将 不断扩大。
我们需要不断挖掘和应用形状记 忆合金的潜力，创造更多创新性 和实用性的产品和解决方案。
致谢
感谢您参与本次《形状记忆合金》 PPT课件，希望展示的内容能够 给您带来启发和收获。
形状记忆合金的应用
医疗器械
应用于支架、植入物等医疗设备，可提高患者的 治疗效果和舒适度。
汽车工业
在车身和发动机中应用，具有降噪、减振和节能 的优势。
航天航空

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。

• 记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制，已制成室温自动开闭 臂，能在阳光照耀的白天打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。记 忆合金热机的设计方案也不少，它们都能在具有低温差的两种介质间 工作，从而为利用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开 辟了新途径。现在普遍存在的问题是效率不高，只有 4％～6％，有 待于进一步改进。
举例： 花键套加工
长 的 时 间 隧 道，袅
形状记忆合金的特性及应用.
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形状记忆合金的首次发现
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记忆合金的原理 及成分
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记忆合金的特性
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记忆合金的应用
形状记忆合金
记忆合金在热水中会回复本来的形态
• 记忆效应 (SME)：指某种金属材 料形变后，能够恢复之前形状之性 质。
• 一般金属受到外力作用后，首先发 生弹性变形，达到屈服点，就产生 塑性变形，外力消除后留下永久变 形。1932年，瑞典人奥兰德在金 镉合金中首先观测到记忆效应（ SME）,即合金的形状被改变之后 ，一旦加热到一定的跃变温度时， 他又可以变回到原来的形状，人们 把具有这种特殊功能的合金称为形 状记忆合金
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长

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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

马氏体相变分三步进行
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马氏体相变的G-T转变模型
{11}1 //1{1}0a',差1 110 //111a' ，差 2
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形状记忆效应
❖形状记忆效应:固体材料在发生了塑性变形后， 经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的 形状，这种现象就叫做形状记忆效应。
普通金属材料
形状记忆合金
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形状记忆效应简易演示实验
初始形状
拉直
加热后恢复
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形状记忆效应与马氏体相变
➢形状记亿效应是在马氏体相变中发现的 ➢马氏体相变中的的高温相叫做母相(P)，低温相 叫做马氏体相(M) ➢马氏体正相变、马氏体逆相变。 ➢马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶 体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回 复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在 产生热弹性马氏体相变的合金中。 ➢马氏体相变的临界温度：Ms、Mf、As、Af
形状记忆合金 Shape Memory Alloys
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形状记忆合金概述
❖ 发展历史 ❖ 基本概念
形状记忆效应及其临界温度 热弹性马氏体相变 马氏体变体与自协作 应力诱发马氏体相变 相变伪弹性(超弹性)
2Hale Waihona Puke 形状记忆合金发展历史❖ 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
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马氏体相变
❖马氏体相变的热力学持征 ❖马氏体相变机制的几个晶体学经典模型
Bain转变模型 K-S转变模型 西山转变模型 G-T转变模型
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马氏体相变的热力学持征
❖相变得以进行需要驱动力，相变驱动力来自 于新旧两相的自出能差
❖马氏体相变时需要较大的驱动力。这主要是 由于相转变时的切变过程需要很高的塑性变 形能，用以产生浮凸，产生高密度位错或孪 晶等，同时，为了维持两相的共格，以及因 体积的变化会引起晶格的弹性畸变，导致较 大的能量提高。所以，马氏体相变的的驱动 力主要是为了克服相变时的切变阻力和变形 阻力，包括弹性变形和塑性变形。

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5、形状记忆合金的形状回复机制
• 形状记忆效应通常是合金在母相几乎完全转变为马氏体 的Mf点以下承受形变后发生的。
• 相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征。 在热弹性马氏体相变中形成的24种不同位向的马氏体变 体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正因 为这个原因，在热弹性马氏体逆相变时能够完全地回复 到和相变前一样的母相状态。
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• 宇宙飞船发射之前，在室温条件 下(Ms)，经过形状记忆处理的 定形的NiTi抛物凸状天线折成直 径小于5cm的球状放入飞船。
• 飞进入太空后，通过加热或利用 太阳能使合金丝升温，当温度高 达77℃(Af)后，被折成球状的 合金丝团就自动完全打开，成为 原先定形的抛物凸状天线。
• 这类应用的开发使状记忆合金材
（4）晶格缺陷与相变可逆性 • 马氏体内一定有晶体缺陷存在。马氏体相变具有可1逆1 性。
• 图2-4
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并不是所有马氏体转变的合金都有形状记忆效应
• 如钢就不显示形状记忆效应。比较一下就可知：
• Fe-30Ni合金的相变滞后温区很宽(As-Ms=400℃)，在冷 却过程中，不断有新的马氏体形成，而且马氏体能在瞬 间达到其最终尺寸；马氏体相变需要在大的驱动力下形 成，即要求的过冷度也大。而且加热时发生的逆相变也
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图1 σ-ε曲线
一般合金在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除 后变形消失。当应力超过弹性限后，产生塑性变形，在应力卸除 后变形不能完全消除存在残余变形，即不能回复原状。 形状记忆合金则不同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几 到十几的变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上时， 变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应。 若加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生的变形 量无需加热只需卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应5 。