弹性马氏体和形状记忆效应

马氏体可逆转变和形状记忆效应在马氏体相变热力学一节中已经讨论到马氏体相变具有可逆性，并将马氏体向高温上的转变称为逆转变或反相变。

碳钢中的马氏体因其加热时极易分解，所以到目前为止尚未观直接察到它的逆转变。

但在一系列铁合金和非铁合金的马氏体相变中均已观察到逆转变的存在，并且在逆转变中亦观察到了表面凹凸现象，凹凸的方向正好和正相变相反。

已发现具有可逆马氏转变的合金有：Fe-Ni，Fe-Mn，Cu-Al，Cu-Au，In-Tl，Au-Cd，Ni-Ti等。

这些合金中的马氏体可逆转变，按其特点不同，可分为热弹性马氏体的可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变两类。

热弹性马氏体的可逆转变是近代发展形状记忆材料的基础。

而非热弹性马氏体可逆转变则导致材料的相变冷作硬化，成为材料强化的途径之一。

（一）马氏体可逆转变的特点具有马氏体可逆转变的不同合金中，马氏体相变的热滞后现象有明显差异。

例如，在Fe-Ni合金（以此作为非热弹性马氏体可逆转变的代表）中，A S较M S高420℃，Au-Cd 合金（以此作为热弹性马氏体可逆转变的代表）中A S比M S 仅高16℃，如图3-100所示。

显然，这两种合金马氏体相变的驱动力差别很大，前者很大，后者很小。

因此，它们的相变行为也有很大的差别。

1、共同特点热弹性马氏体可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变的共同特点是急速加热和冷却都不能遏制转变的进行。

在连续冷却时两种合金转变量随温度的变化都是连续的，即转变量是转变温度的函数，符合降温形成马氏体动力学的一般规律。

2、不同特点主要表现在M S以下两种合金马氏体的长大方式有着明显的差别。

（1）非热弹性马氏体在Fe-Ni合金中，连续冷却时新马氏体片不断形成，每一片都是突然出现，并迅速长大到极限尺寸。

因此，相变速率是温度下降速率的函数，马氏体是由成核率及每一片马氏体长大后的大小来决定的，而和长大速度无关。

因为Fe-Ni 合金马氏体相变驱动力很大，马氏体片长大速度极快。

马氏体性能众所周知，马氏体是强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而脆的组织，尤其是高碳片状马氏体。

要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。

但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。

马氏体的硬度和强度钢中马氏体机械性能的显著特点是具有高硬度和高强度。

马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳质量分数。

马氏体的硬度随质量分数的增加而升高，当含碳质量分数达到0.6%时，淬火钢硬度接近最大值，含碳质量分数进一步增加，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体数量增加，反而使钢的硬度有所下降。

合金元素对钢的硬度关系不大，但可以提高其强度。

马氏体具有高硬度和高强度的原因是多方面的，其中主要包括固溶强化、相变强化、时效强化以及晶界强化等。

(1)固溶强化。

首先是碳对马氏体的固溶强化。

过饱的间隙原子碳在a相晶格中造成晶格的正方畸变，形成一个强烈的应力场。

该应力场与位错发生强烈的交换作用，阻碍位错的运动从而提高马氏体的硬度和强度。

(2)相变强化。

其次是相变强化。

马氏体转变时，在晶格内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶等，这些缺陷都阻碍位错的运动，使得马氏体强化。

这就是所谓的相变强化。

实验证明，无碳马氏体的屈服强度约为284Mpa,此值与形变强化铁素体的屈服强度很接近，而退火状态铁素体的屈服强度仅为98~137Mpa，这就说明相变强化使屈服强度提高了147~186MPa(3)时效强化。

时效强化也是一个重要的强化因素。

马氏体形成以后，由于一般钢的点Ms大都处在室温以上，因此在淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自回火。

即碳原子和合金元素的原子向位错及其它晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析出，钉轧位错，使位错难以运动，从而造成马氏体的时效强化。

1.形状记忆合金具有形状记忆效应的合金材料即称为形状记忆合金。

其中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。

2.热弹性马氏体相变在某些合金材料中会出现一种叫做热弹性马氏体的晶相组织，这种组织的特点是：它的相变驱动力很小，容易发生相变。

它能随着温度的升高而弹性地缩小或长大，故称其为“热弹性马氏体”。

3.约瑟夫逊效应直流约瑟夫逊效应：对于超导体-势垒-超导体体系，在势垒两边的电压为零的情况下，电子能以隧道效应穿过势垒层，产生直流超导电流；交流约瑟夫逊效应：超导隧道结能在在直流电压作用下，产生超导交流电流，从而辐射电磁波。

4.迈斯纳效应也称为完全抗磁性，即处于超导状态的超导体内部磁感应强度为零。

5.超晶格由两种或两种以上性质不同、厚度极小的薄膜交替生长而形成的多层结构的晶体。

由于厚度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，故取名“超晶格”。

6.组分超晶格超晶格材料的一个重复单元由两种不同材料（电子亲和势和禁带宽度均不同）组成。

7.掺杂超晶格在同一种半导体中，用交替改变掺杂类型的方法形成的超晶格。

8.应变超晶格通过弹性应变调节两种材料的晶格失配来消除界面缺陷而形成的超晶格。

9.压电效应当对某些晶体在特定方向上施加力时，在与施力方向垂直的平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应。

10.正压电效应当晶体受到机械力作用时，在一定方向的表面上产生束缚电荷，电荷密度大小与所加应力大小成线性关系，这种由机械效应转换为电效应的过程称为正压电效应。

11.负压电效应当某些晶体在外电场激励下，会使晶体在某些方向上产生形变（谐振）现象，且形变大小与外电场大小成线性关系，这种由电效应转换为机械效应的过程称为逆压电效应。

12.热释电效应晶体由于温度作用而产生极化的现象。

（产生热释电效应的条件：（1）具有自发极化的晶体；（2）晶体结构的极轴与结晶学的单向重合的晶体）13.铁电体有些热释电晶体不但在某些温度范围内能够自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场的作用而重新取向。

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]。

电⼦功能材料与元器件名词解释名词解释形状记忆合⾦：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合⾦材料即称为形状记忆合⾦。

热弹性马⽒体相变：在某些合⾦材料中会出现⼀种叫做热弹性马⽒体的晶相组织，这种组织的特点是：它的相变驱动⼒很⼩，很容易发⽣相变。

它能随着温度的升⾼⽽弹性地缩⼩或长⼤，故称其为“热弹性马⽒体”。

约瑟夫逊（Josephson）效应：约瑟夫逊从理论上对于超导体－势垒－超导体的情况进⾏了认真的计算。

得出了⼀系列难以想象的结果：在势垒两边电压为零的情况下，电⼦对能够以隧道效应穿过绝缘层，产⽣直流超导电流，此现象叫直流约瑟夫逊效应(d.c. Josephson effect)。

超导隧道结这种能在直流电压作⽤下，产⽣超导交流电流，从⽽能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫逊效应。

注：把右侧正常⾦属改成超导体迈斯纳效应：处于超导状态时，超导体内部磁感强度为零。

这种现象称为迈斯纳效应超晶格：超晶格材料是由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替⽣长并⽽形成的多层结构的晶体，在这种超晶格材料中，由于⼈们可以任意改变薄膜的厚度，控制它的周期长度。

⼀般来说，超晶格材料的周期长度⽐各薄膜单晶的晶格常数⼤⼏倍或更长，因⽽取名“超晶格”。

组分超晶格：超晶格材料的⼀个重复单元由两种不同材料组成，其电⼦亲和势、禁带宽度均不相同。

掺杂超晶格：若在同⼀半导体材料中，⽤交替改变掺杂类型的⽅法形成的超晶格称为掺杂超晶格。

应变超晶格：当两种不同材料构成超晶格时，若两种材料晶格常数相差较⼤时，会在界⾯处产⽣缺陷，得不到好的超晶格材料。

但是，当多层薄膜厚度⼗分薄时，晶体⽣长时会产⽣很少的缺陷，即是在弹性形变限度内，晶格本⾝的应变使缺陷消除，可制备好的超晶格材料－－应变超晶格材料压电效应：当对某些晶体在某些特定⽅向上加⼒时，在施⼒⽅向的垂直平⾯上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应。