马氏体相变与形状记忆合金课件.ppt

1、马氏体相变与形状记忆合金目 录1、马氏体相变2、形状记忆合金的马氏体相变3、有序结构4、形状记忆合金的训练5、超弹性合金1、马氏体相变相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化时，物相在某一特定条件下发生的突变。时，物相在某一特定条件下发生的突变。相变表现为：相变表现为：1 1）从一种结构转变为另一种结构。）从一种结构转变为另一种结构。2 2）化学成分的不连续变化。）化学成分的不连续变化。3 3）物质物理性能的突变。）物质物理性能的突变。1、马氏体相变相变会产生相界面(a)共格界面共格界面(b)半共格界面半共格界面(c)非共格界面非共格界面从原子迁移情况来

2、分从原子迁移情况来分扩散型相变扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的转变。转变。无扩散型相变无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变，：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变，如马氏体相变。如马氏体相变。1、马氏体相变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、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移.1、马氏体相变形象对说，马氏体相变就像解放军走

3、分列式，各原子“动作整齐，步调一致”。1、马氏体相变扩散型相变就像团体操，原子从有序的A状态转变为B状态。转变过程中，各原子有长程的，看似紊乱的热运动（也就是扩散）。1、马氏体相变1、马氏体相变四十年代前后，在四十年代前后，在Fe-NiFe-Ni、Fe-MnFe-Mn合金以及许多有色金属合金以及许多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到冷却过程中及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到冷却过程中发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发生的马氏体转变。生的马氏体转变。由于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为：由于这一新的发现，

4、人们不得不把马氏体的定义修定为：“ “ 在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏体体 ” ”。把以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马。把以晶格畸变为主的位移型无扩散相变统称为马氏体相变。氏体相变。1、马氏体相变共析碳钢共析碳钢C曲线图曲线图马氏体转变有一上限温马氏体转变有一上限温度，这一温度称为马氏度，这一温度称为马氏体转变的体转变的开始温度，用开始温度，用Ms表示。表示。马氏体转变还有一个下马氏体转变还有一个下限温度，用限温度，用Mf表示，当表示，当奥氏体过冷到奥氏体过冷到Mf以下时以下时转变也不能再进行了。转变也不能再进行了。称为马氏

5、体转变的下称为马氏体转变的下限温度或马氏体终了限温度或马氏体终了点。点。也就是说马氏体也就是说马氏体转变是在转变是在MsMf之间之间进行的。进行的。1、马氏体相变 普通马氏体相变普通马氏体相变 热弹性热弹性马氏体相变马氏体相变 温度2、形状记忆合金的马氏体相变普通铁碳合金：普通铁碳合金： 相变温度滞后约为几百度相变温度滞后约为几百度 各个马氏体片几乎是在瞬间各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终大小，且不会因就长到最终大小，且不会因温度降低而再长大。温度降低而再长大。非热弹性马氏体非热弹性马氏体形状记忆合金：形状记忆合金： 其相变温度滞后约几十其相变温度滞后约几十度，有的形状记忆合金度，有的形状记

6、忆合金只有几度的温度滞后只有几度的温度滞后 冷却过程中形成的马氏冷却过程中形成的马氏体会随温度的变化而继体会随温度的变化而继续长大或收缩，母相和续长大或收缩，母相和马氏体相的相界面表现马氏体相的相界面表现出弹性式的推移，出弹性式的推移，在相在相变的全过程中一直保持变的全过程中一直保持着良好的协调性着良好的协调性热弹性马氏体热弹性马氏体热滞后热滞后，反映的是马氏体转变的阻力！MfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATUREMfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATURE(twinned)(twinned)形状记忆合金中的两种相形状记忆合金中

7、的两种相高温相：奥氏体（通常为立方晶系）形状记忆合金中的两种相形状记忆合金中的两种相低温相：马氏体（通常为斜方相）正常马氏体 孪生马氏体温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体温度和应力作用下得到的马氏体形态不同。在应力作用下，对孪生马氏体进行变形，使其转变为退孪生马氏体。完成转变的应力开始转变的应力宏观形状发生改变应力卸载后，宏观形状改变得到保留。然后对弯曲的别针加热，将回复到原始形状。如果材料同时具有热弹如果材料同时具有热弹性马氏体相变和应力马性马氏体相变和应力马氏体相变。氏体相变。先将奥氏体冷却变为先将奥氏体冷却变为马氏体。马氏体。在马氏体区域进行变在马氏

8、体区域进行变形形在温度的作用下自动在温度的作用下自动变为奥氏体。并回复形变为奥氏体。并回复形状。状。形状记忆效应示意图形状记忆效应示意图钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？DifferentphasesofanSMA有序性，是为了阻止原子的扩散。为了维持有序性，原子就不能乱跑。3、有序结构具有形状记忆效具有形状记忆效应的应的NiTiNiTi合金的合金的成分就在近等原成分就在近等原子比的范围内子比的范围内Ti-Ni合金相图合金相图注意：实用成分的注意：实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随后合金在固溶处理后，如果随后的冷却不够快的冷

9、却不够快(如炉冷如炉冷)，就会产生，就会产生Ti2Ni和和Ni3Ti这三这三个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而个金属间化合物，由于这两种相不具有可逆性，因而破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。时效后的马氏体会表现的更加“稳定”，其表现为从马氏体相回到母相的逆相变转变温度Af会升高。实效过程，会形成第二相实效过程，会形成第二相马氏体时效效应可以形象的理解为：用记忆合金制备的血栓过滤器，如果放置时间过久，会导致本来该在人体温度（37左右）打开的支架，需要45 才能打开。4、形状记忆合金的训练 单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种

10、形状，在低温相时将其变形，再加热时恢复为高温形状，实现形状记忆，前提是形成孪生马氏体+对孪生马氏体进行变形。然后加热变形后的别针，可以回到原来的形状。4、形状记忆合金的训练实现双程形状记忆，其关键在于，用降温过程完成（形成孪生马氏体+对孪生马氏体进行变形）的功能。马氏体如何才能乖乖的听话，仅用温度就能实现转变和变形。4、形状记忆合金的训练4、形状记忆合金的训练马氏体转变就如同彪悍的狮王，需要食物+皮鞭。但是经过驯化后，只需要食物就能搞定。4、形状记忆合金的训练在外加应力下，用温度对形状记忆合金进行驯化。训练结束后，不需要应力，只用温度就能实现双向转变。4、形状记忆合金的训练驯兽，是改变了动物的

11、内心世界。驯形状记忆合金：是改变了材料内部的缺陷组态。4、形状记忆合金的训练训练过程：在外加应力下改反反复复变温度。平时看的温度驱动马氏体转变，是在无应力状态下，事实上，无应力状态也不具备什么特别的含义。如果升高到随机的应力状态后，温度依然可以驱动马氏体相变的发生。只是所需温度会发生变化。4、形状记忆合金的训练每一个循环都会留下永久变形该变形量越来越小，直到趋于零，训练完成训练过程是为了引入内部缺陷，在该内部缺陷的作用下，降温时才会转变为孪生马氏体，否则不具备形状记忆效应。如果对训练完成的合金进行退火处理，缺陷组态消失，将失去形状记忆功能。需要重新训练才能恢复。4、形状记忆合金的训练 形状记忆

12、合金形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只要并不是无论承受怎样的变形只要受热就能恢复原状受热就能恢复原状，有时可残留永久变形。，有时可残留永久变形。 为保持良好形状记忆特性，形变量不能超过一为保持良好形状记忆特性，形变量不能超过一定值。定值。循环使用次数少时，循环使用次数少时，TiNi合金约为合金约为6，CuZnAl合金约为合金约为2；循环使用次数多时，分别低于循环使用次数多时，分别低于2和和0.5。 形状记忆合金要避免过热形状记忆合金要避免过热，即在形状记忆合金受约，即在形状记忆合金受约束状态下，不要达到比束状态下，不要达到比Af点高很多的温度。点高很多的温度。线圈过热，相变引起的形状恢复应

13、力超过丝材本身的屈线圈过热，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力，服应力，合金的形状记忆特性变坏。合金的形状记忆特性变坏。合金长时间置于高温，产生不能完全记住该温度下形状合金长时间置于高温，产生不能完全记住该温度下形状的现象，即的现象，即记忆力减退记忆力减退。当当TiNi合金和合金和CuZnAl合金长时间分别置于合金长时间分别置于250和和90以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。5、超弹性合金普通材料：弹性应变区域非常有限，一旦超过弹性极限（也就是屈服强度），材料将发生永久塑性变形。5、超弹性合金5、超弹性合金5、超弹性合金若加载与变形是在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。这种现象叫量无需加热只需卸载后便能自然回复。这种现象叫。3、超弹性合金 在超弹性效应中，能回弹的延伸量很大，可比一般钢的弹性形变量达810倍5、超弹性合金5、超弹性合金思考题对于CuZnAl形状记忆合金。为什么温度越高，“强度”反而越高？