1、形状记忆合金形状记忆合金Shape Memory Alloys2一、一、形状记忆合金形状记忆合金概述概述v形状记忆效应：形状记忆效应：具有一定形状（具有一定形状（初始形状初始形状）的固体材料）的固体材料 在某一低温状态下进行一定限度的塑性变形后在某一低温状态下进行一定限度的塑性变形后（另一形状另一形状）通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料完全材料完全恢复到变形前的初始形状恢复到变形前的初始形状3原始形状原始形状拉直拉直加热后恢复加热后恢复形状记忆效应实验形状记忆效应实验4形状记忆效应示意图形状记忆效应示意图5v形状记忆合金形状记忆合金：具
2、有形状记忆效应的合金：具有形状记忆效应的合金6v采用采用CuZnAl记忆合金片记忆合金片，以热水或热风为热源，以热水或热风为热源，开放温度为开放温度为6585，闭合温度为室温，闭合温度为室温花蕾直径花蕾直径80mm，展开直径，展开直径200mm。7形状记忆合金发展形状记忆合金发展历史历史v1938年，美国哈佛大学年，美国哈佛大学格里奈哥和穆拉迪安格里奈哥和穆拉迪安发现发现Cu-Zn合金在加热与冷却的过程中，合金在加热与冷却的过程中，马氏体会随马氏体会随之收缩与长大之收缩与长大v1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有马氏体相变的合金会出现马氏体相变的
3、合金会出现热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变v1951年，美国的年，美国的Read等人在等人在Au-Cd合金的研究中合金的研究中首次发现该合金具有首次发现该合金具有形状记忆效应形状记忆效应v随后，在随后，在In-Ti合金中也发现了形状记忆效应合金中也发现了形状记忆效应8v1963年，美国海军武器试验室的年，美国海军武器试验室的Buehler博士等发博士等发现现Ni-Ti合金合金具有形状记忆效应具有形状记忆效应v1970年，人们又在成本更为低廉的年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi中也发中也发现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产现具有形状记忆现象，并明确这种现象是能够产生热弹性马氏体相变的
4、合金所共有的特性生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性v1975年左右，年左右，FeMnSi及有些不锈钢及有些不锈钢也有形状记忆也有形状记忆功能，并在工业中得到应用功能，并在工业中得到应用v1975年至年至1980年左右，年左右，双程形状记忆效应双程形状记忆效应、全程全程形状记忆效应形状记忆效应相继被发现相继被发现9合金合金成分成分Ms点点/合金合金成分成分Ms点点/AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuCd46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-
5、140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/180形状记忆合金的成分范围和形状记忆合金的成分范围和Ms点点10形状记忆形状记忆效应分类效应分类v单程形状记忆效应单程形状记忆效应：只能记住高温时形状的现象：只能记住高温时形状的现象v双程形状记忆效应双程形状记忆效应（可逆形状记忆效应可逆形状记忆效应）：加热）：加热时恢复高温时的形状，冷却
6、时恢复低温时的形状时恢复高温时的形状，冷却时恢复低温时的形状当温度在高温和低温之间往返变化时，材料自当温度在高温和低温之间往返变化时，材料自行在两种形状之间变换行在两种形状之间变换。1112v全程形状记忆效应全程形状记忆效应：不仅具有双程形状记忆效应，：不仅具有双程形状记忆效应，而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变化规律，即记忆了中间过程化规律，即记忆了中间过程这种这种形状变化大于所有可逆形状记忆效应形状变化大于所有可逆形状记忆效应，而，而且高温形状和低温形状是完全可以倒置的。且高温形状和低温形状是完全可以倒置的。它是一种它是一种特殊的双程形状记
7、忆效应特殊的双程形状记忆效应，只能在富，只能在富镍的镍的Ni-Ti合金中出现。合金中出现。1314二、二、形状记忆形状记忆效应效应的原理的原理v马氏体相变马氏体相变：1.热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变 原子无扩散位移（原子无扩散位移（切变切变），即原子沿相界面作协），即原子沿相界面作协作运动，使其形状改变和作运动，使其形状改变和表面浮凸表面浮凸 呈现呈现不变平面应变不变平面应变特征、特征、形核形核-长大型长大型的的一级相变一级相变15马氏体相变示意图马氏体相变示意图16v把马氏体相变开始和相变结束的温度分别表示为把马氏体相变开始和相变结束的温度分别表示为Ms和和Mfv把把马氏体逆相变马氏体逆
8、相变（转变成奥氏体）开始和结束的（转变成奥氏体）开始和结束的温度分别表示为温度分别表示为As和和Af17v发生马氏体相变的必要条件：发生马氏体相变的必要条件：M相的自由能必须相的自由能必须低于低于A相相需过冷到适当低于需过冷到适当低于T0的温度的温度Msv马氏体逆相变也需要驱动力：必须过热到适当高马氏体逆相变也需要驱动力：必须过热到适当高于于T0的温度的温度AsT0和和Ms之差称为之差称为过冷度过冷度：钢铁马氏体相变为：钢铁马氏体相变为200左右；形状记忆合金为左右；形状记忆合金为530。相变驱动力：过冷度相变驱动力：过冷度Ms和和As之间的温度差称为之间的温度差称为热滞后热滞后。18相变驱动
9、力相变驱动力19v根据其转变特点可将马氏体相变分为：根据其转变特点可将马氏体相变分为：马氏体相变马氏体相变分类分类 非热弹性马氏体相变非热弹性马氏体相变（A类）：热滞后大类）：热滞后大 热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变（B类）：热滞后非常小类）：热滞后非常小2021A类转变：类转变：两类马氏体相变特点两类马氏体相变特点v在在M 以下马氏体瞬间形核、瞬间长大以下马氏体瞬间形核、瞬间长大v随温度下降，马氏体数量增加是靠随温度下降，马氏体数量增加是靠新核心形成和新核心形成和长大长大实现的实现的v加热时，马氏体在达到加热时，马氏体在达到As之前已经分解，如之前已经分解，如Fe-C合金，因而合金，因而不
10、发生逆转变不发生逆转变22B类转变：类转变：v在在M 以下升降温时马氏体数量减少或增加是通过以下升降温时马氏体数量减少或增加是通过马氏体片缩小或长大马氏体片缩小或长大来完成的来完成的v母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变转变是可逆的是可逆的v逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和逆转变完成后，不留下任何痕迹，得到方位上和以前完全相同的母相以前完全相同的母相23非热弹性马氏体非热弹性马氏体热弹性马氏体热弹性马氏体24v相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，相变时热滞后小，反映了相变驱动力小，界面的界面的共格性好共格性好，使界面容易移动：，使界面容易移
11、动：热弹性热弹性平衡平衡 在低于在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的温度下，马氏体片形成以后，界面上的弹性变形随着马氏体片长大而增大弹性变形随着马氏体片长大而增大 长大到一定程度，长大到一定程度，弹性变形能弹性变形能及及共格界面能共格界面能等的等的增加与增加与相变自由能相变自由能的减少相等，马氏体停止长大的减少相等，马氏体停止长大这称为这称为热弹性平衡状态热弹性平衡状态。25热弹性马氏体箭状形貌的明场像热弹性马氏体箭状形貌的明场像26v温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体又继续长大，也可能出现新的马氏体长大又继续长大，也可能出现新的马氏体
12、长大v温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩，温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩，故称为故称为热弹性马氏体热弹性马氏体相变为相变为热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变。形状记忆合金马氏体数量随温度的变化形状记忆合金马氏体数量随温度的变化27CuAlNi合金合金奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而奥氏体基体中马氏体箭随冷却和加热而生长和退缩生长和退缩28v马氏体相变是通过无扩散的切变模式完成的，其马氏体相变是通过无扩散的切变模式完成的，其亚结构为亚结构为孪晶孪晶v形状记忆效应形状记忆效应要求相变时体积变化小要求相变时体积变化小，这样才能，这样才能降低应变能：降低应变能：2.热弹性马氏体相变机制
13、热弹性马氏体相变机制 形状记忆合金相变时围绕母相的一个特定位向常形状记忆合金相变时围绕母相的一个特定位向常形成形成四种自适应的马氏体变体四种自适应的马氏体变体 这四种变体以母相的惯习面呈对称排列，合称为这四种变体以母相的惯习面呈对称排列，合称为一个一个马氏体群马氏体群2930 当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应当某一变体在母相中形成时，产生某一方向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加变场，随变体的长大，应变能不断增加马氏体的自适应形成马氏体的自适应形成变体的长大越来越困难变体的长大越来越困难。为降低应变能，已形成的变体周围会形成新变体为降低应变能，已形成的变体周围会形成新变体新变体的
14、应变方向与已形成的变体的新变体的应变方向与已形成的变体的应变场互应变场互相抵消或部分抵消相抵消或部分抵消。由四种变体组成的片群的总应变几乎为零由四种变体组成的片群的总应变几乎为零这就是马氏体相变的这就是马氏体相变的自适应现象自适应现象有均匀体有均匀体积变化，无明显形状改变积变化，无明显形状改变。31v对组织为对组织为自适应马氏体自适应马氏体的样品施加外力，在较小的样品施加外力，在较小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外加的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外加应力相适应而应力相适应而再取向再取向，即：即：马氏体马氏体的再取向的再取向 变体的应变方向与外加应力方向最接近的变体通变体的应变方
15、向与外加应力方向最接近的变体通过过吞并吞并其它与外加应力不相适应的变体而长大其它与外加应力不相适应的变体而长大 直至整个样品内的各个不同取向的变体直至整个样品内的各个不同取向的变体最终转变最终转变成一个变体成一个变体32v这时，由母相转变为马氏体所产生的这时，由母相转变为马氏体所产生的相变应变不相变应变不再互相抵消再互相抵消，而是沿外加应力方向累积起来，而是沿外加应力方向累积起来样品显示出宏观形状的变化样品显示出宏观形状的变化。v卸去应力后，变形保持下来卸去应力后，变形保持下来3334 将其加热到将其加热到Af以上，由于热弹性马氏体在晶体学以上，由于热弹性马氏体在晶体学上可逆性上可逆性 也就是
16、在相变中形成的也就是在相变中形成的各个马氏体变体和母相的各个马氏体变体和母相的特定位向的点阵存在严格的对应关系特定位向的点阵存在严格的对应关系 因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样因此逆相变时，只能回到原有的母相状态，这样也就回复到原也就回复到原状状形状记忆形状记忆效应的基本原理效应的基本原理35形状记忆过程中晶体结构的变化形状记忆过程中晶体结构的变化36v一些学者曾根据早期的形状记忆材料的特征，提一些学者曾根据早期的形状记忆材料的特征，提出产生形状记忆效应的条件是：出产生形状记忆效应的条件是：马氏体相变是马氏体相变是热弹性类型热弹性类型的的 马氏体相变通过马氏体相变通过孪生切变孪生切变
17、完成，而不是通过滑移完成，而不是通过滑移产生产生 母相和马氏体均为母相和马氏体均为有序结构有序结构37v马氏体还可由应力诱发产生：马氏体还可由应力诱发产生：3.形状记忆合金的相变超弹性形状记忆合金的相变超弹性这种不通过加热即恢复到原先形状的相变，看这种不通过加热即恢复到原先形状的相变，看起来像弹性变形，但其应力应变曲线是非线性起来像弹性变形，但其应力应变曲线是非线性的，因此称为的，因此称为相变伪弹性相变伪弹性或或相变超弹性相变超弹性。在高于在高于Ms的某一的某一温度温度Md以下对合金施加外力引起以下对合金施加外力引起马氏体相变，所形成的马氏体称马氏体相变，所形成的马氏体称应力诱发马氏体应力诱发
18、马氏体 应力除去后，马氏体当即逆转变为该温度下的稳应力除去后，马氏体当即逆转变为该温度下的稳定母相，恢复母相原来的形状，应变消失定母相，恢复母相原来的形状，应变消失38超弹性合金超弹性合金的弹性变形量可达百分之几到的弹性变形量可达百分之几到20%。39 AB段代表奥氏体相的纯粹弹性变形段代表奥氏体相的纯粹弹性变形 B点为应力诱发马氏体的最小应力，点为应力诱发马氏体的最小应力，C点相变结束点相变结束 BC段代表奥氏体向马氏体转变后应变增加段代表奥氏体向马氏体转变后应变增加其其斜率远小于斜率远小于AB段，说明相变容易进行段，说明相变容易进行 CD段表示相变结束后在应力作用下马氏体发生弹段表示相变结
19、束后在应力作用下马氏体发生弹性变形性变形 在在D点，马氏体开始屈服并发生塑性变形直到点，马氏体开始屈服并发生塑性变形直到E点点断裂断裂40v在在D点之前应力被取消，例如在点点之前应力被取消，例如在点C，对应的应，对应的应变为变为 c，则通过几步应变可恢复：，则通过几步应变可恢复：首先发生马氏体的首先发生马氏体的弹性恢复弹性恢复，如，如CF段所表示段所表示 F点对应的是卸载过程中应力诱发马氏体能够存点对应的是卸载过程中应力诱发马氏体能够存在的最大应力，在该点开始发生马氏体向奥氏体在的最大应力，在该点开始发生马氏体向奥氏体的的逆相变逆相变 FG段表示马氏体向奥氏体转换后引起的段表示马氏体向奥氏体转
20、换后引起的应变恢复应变恢复 GH段表示奥氏体的弹性恢复段表示奥氏体的弹性恢复41v超弹性不仅出现于受应力作用的母相，也出现于超弹性不仅出现于受应力作用的母相，也出现于Ms以下受应力作用的马氏体以下受应力作用的马氏体 应力去除后，诱发的不稳定马氏体应力去除后，诱发的不稳定马氏体逆转变逆转变为原来为原来的马氏体而显示出的马氏体而显示出超弹性超弹性 因因应力诱发出具有其它结构不稳定的马氏体应力诱发出具有其它结构不稳定的马氏体二者本质是相同的，区别只是变形温度与最初二者本质是相同的，区别只是变形温度与最初状态（马氏体还是母相）不同。状态（马氏体还是母相）不同。42三、常用三、常用形状记忆合金形状记忆合
21、金材料材料v具有形状记忆效应的基本合金系有具有形状记忆效应的基本合金系有10种以上，但种以上，但实用化的只有实用化的只有Ti-Ni系系、铜系铜系、铁系合金铁系合金三大类三大类43vTiNi合金是目前形状记忆合金中研究最全面、合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记记忆性能最好忆性能最好的合金材料的合金材料1.Ti-Ni形状记忆合金形状记忆合金 记忆效应优良记忆效应优良 强度高、塑性大强度高、塑性大 耐腐蚀性好、稳定性好耐腐蚀性好、稳定性好 抗疲劳，耐磨损抗疲劳，耐磨损 生物相容性好生物相容性好 但制造过程较复杂、价格高昂但制造过程较复杂、价格高昂44具有形状记忆效应的具有形状记忆效应的NiTi合
22、金的成分就在合金的成分就在近等近等原子比的范围内原子比的范围内。（1）Ti-Ni记忆合金的基本相和相变记忆合金的基本相和相变45v属于体心立方晶体属于体心立方晶体CsCl结构的结构的母相母相 2v结构是棱面体点阵的结构是棱面体点阵的R相相（适当的热处理或成分（适当的热处理或成分条件下出现）条件下出现）v属于单斜晶体的属于单斜晶体的马氏体结构马氏体结构基本相基本相TiNi相相注意：注意：实用成分的实用成分的TiNi合金在固溶处理后，如果随合金在固溶处理后，如果随后的冷却不够快，就会产生后的冷却不够快，就会产生Ti2Ni和和TiNi3由于这两种相不具有可逆性，因而破坏了形状由于这两种相不具有可逆性
23、，因而破坏了形状记忆效果，需要尽量避免该类相的产生。记忆效果，需要尽量避免该类相的产生。46Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程合金呈现记忆效应的两种相变过程 母相母相 马氏体马氏体：记忆效应由单一相变贡献：记忆效应由单一相变贡献 母相母相 R相相 马氏体马氏体（加铁、时效加铁、时效）：记忆效）：记忆效应由两个相变阶段贡献应由两个相变阶段贡献v依成分和预处理条件的不同：依成分和预处理条件的不同：R相变相变和和M相变相变均为形状记忆的来源。均为形状记忆的来源。47NiTi合金相变过程的电阻合金相变过程的电阻-温度曲线温度曲线48（2）影响相变温度的因素影响相变温度的因素v成分成分：最敏感因素
24、之一：最敏感因素之一，Ni含量每增加含量每增加0.1%，相，相变温度降低变温度降低10v第三元素第三元素：Fe、Al、Cr、Co、Mn、V、Nb、Ce等等可降低可降低Ms；Au、Pt、Pd、Zr等可升高等可升高Msv杂质元素杂质元素：C、H、O等降低等降低Msv时效温度、时效时间时效温度、时效时间明显影响相变温度明显影响相变温度49（3）合金制备）合金制备 由由高纯电解镍高纯电解镍与与海绵钛海绵钛作原料，采用高频感应炉作原料，采用高频感应炉与自耗炉（电弧熔炼法）或等离子体与电弧熔炼与自耗炉（电弧熔炼法）或等离子体与电弧熔炼法获得了法获得了TiNi合金铸锭合金铸锭 随后，在随后，在700800进
25、行进行热加工热加工，包括模锻、挤压，包括模锻、挤压及轧制及轧制 丝状产品可通过冷拔丝状产品可通过冷拔，每次加工率小于，每次加工率小于20%为消除加工硬化，冷加工期间可在为消除加工硬化，冷加工期间可在700800进进行行多次退火多次退火。50v为把形状记忆合金用做元件，需使它记住给定形为把形状记忆合金用做元件，需使它记住给定形状，为此要进行一定的热处理：状，为此要进行一定的热处理：形状记忆处理形状记忆处理（4）形状记忆处理形状记忆处理形状记忆处理是实现合金形状记忆功能方面不形状记忆处理是实现合金形状记忆功能方面不可或缺、至关重要的一环。可或缺、至关重要的一环。511）单程形状记忆处理单程形状记忆
26、处理v中温处理中温处理：此方法由于工艺简单而被广泛采用。此方法由于工艺简单而被广泛采用。将加工后的合金材料在将加工后的合金材料在室温加工室温加工成所需要的形状成所需要的形状并加以固定并加以固定 随后在随后在400500保温保温几分钟到几小时以记忆其形几分钟到几小时以记忆其形状状 再再空冷空冷52v低温处理低温处理（用于冷加工后成形困难的材料）：（用于冷加工后成形困难的材料）：此种在较低温度处理的记忆元件其形状恢复特此种在较低温度处理的记忆元件其形状恢复特性较差。性较差。可以在可以在800以上进行以上进行高温退火高温退火 然后在然后在室温下成形室温下成形成给定形状成给定形状 随后于随后于2003
27、00保温保温几分钟到几十分钟以记忆其几分钟到几十分钟以记忆其形状形状53v时效处理时效处理（只对（只对Ni含量高于含量高于50.5at%的的富富Ni合金合金有效）有效）可以调节材料的相变温度可以调节材料的相变温度：随着时效温度的提：随着时效温度的提高或时效时间的延长，相变温度高或时效时间的延长，相变温度Ms相应下降。相应下降。可以获得综合的记忆性能可以获得综合的记忆性能：此时的时效处理就：此时的时效处理就是定形记忆过程。是定形记忆过程。在在8001000温度下温度下固溶处理固溶处理后进行后进行淬火淬火 然后在然后在400500时效处理时效处理几小时几小时542）双程记忆处理双程记忆处理v合金具
28、有双程记忆效应是因为合金中存在合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性方向性的应力场或晶体缺陷的应力场或晶体缺陷v相变时，马氏体容易在这种相变时，马氏体容易在这种缺陷处形核缺陷处形核，同时发，同时发生生择优生长择优生长55 首先经首先经单程记忆处理单程记忆处理获得单程记忆效应，此时仅获得单程记忆效应，此时仅可记忆高温相的形状可记忆高温相的形状 随后在低于随后在低于Ms温度，根据需要的形状进行一定限温度，根据需要的形状进行一定限度的度的可恢复变形可恢复变形（变形量应大于（变形量应大于10%）然后然后加热加热到到Af以上，试样恢复到高温态形状以上，试样恢复到高温态形状 再降温到再降温到Ms以下，
29、以下，再变形再变形试件使之成为低温所需试件使之成为低温所需要的形状要的形状 如此如此反复多次反复多次以后，就可获得以后，就可获得双向记忆效应双向记忆效应记忆训练（又称锻炼）记忆训练（又称锻炼）563）全程记忆处理全程记忆处理v全程记忆效应是由于与基体共格的全程记忆效应是由于与基体共格的Ti11Ni14析出相析出相产生的产生的某种固定的内应力所导致某种固定的内应力所导致v应力场控制了应力场控制了R相变和马氏体可逆相变的路径，相变和马氏体可逆相变的路径，使马氏体相变与逆转变按固定使马氏体相变与逆转变按固定“路径路径”进行进行因此全程记忆处理的关键是因此全程记忆处理的关键是限制性时效限制性时效，必须
30、，必须根据需要选择根据需要选择合适的约束时效工艺合适的约束时效工艺。57时效时间越长，自发形变就越难以发生。时效时间越长，自发形变就越难以发生。58v铜基合金制造加工容易，价格仅为铜基合金制造加工容易，价格仅为TiNi合金的合金的1/10，研究最多的是，研究最多的是CuAlNi合金和合金和CuZnAl合金合金2.Cu基基形状记忆合金形状记忆合金因此，在性能要求不高、反复使用次数少，特因此，在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要求降低成本的情况下使用别是要求降低成本的情况下使用Cu基合金。基合金。v但铜基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等但铜基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等比比TiNi
31、合金差合金差 其母相均为体心立方结构，特称之为其母相均为体心立方结构，特称之为 相合金相合金 铜基合金铜基合金只有热弹性马氏体相变只有热弹性马氏体相变，比较单纯，比较单纯59v铜基合金的形状记忆效应明显低于铜基合金的形状记忆效应明显低于Ti-Ni合金，形合金，形状记忆稳定性差，表现出状记忆稳定性差，表现出记忆性能衰退现象记忆性能衰退现象v这种衰退可能是由于马氏体转变过程中产生这种衰退可能是由于马氏体转变过程中产生范性范性协调协调和局部马氏体变体产生和局部马氏体变体产生“稳定化稳定化”所致所致v逆相变加热温度越高、所加载荷越大，衰退速率逆相变加热温度越高、所加载荷越大，衰退速率越快越快Cu基基形
32、状记忆合金形状记忆合金记忆性能衰退现象记忆性能衰退现象60v加入适量稀土和加入适量稀土和Ti、Mn、V、B等元素（等元素（细化晶细化晶粒粒，提高滑移形变抗力），提高滑移形变抗力）v微晶铜基形状记忆合金微晶铜基形状记忆合金（采用粉末冶金和快速凝（采用粉末冶金和快速凝固法等）固法等）改善铜基合金的循环特性方法改善铜基合金的循环特性方法61合金类型合金类型TiNi合金合金CuZnAl合金合金恢复应变恢复应变最大最大8%最大最大4%恢复应力恢复应力最大最大400MPa最大最大200MPa循环寿命循环寿命105（=0.02）107（=0.005）102（=0.02）103（=0.005）耐蚀性耐蚀性良好
33、良好不良，有不良，有应力腐蚀应力腐蚀破坏破坏加工性加工性不良不良不太好不太好记忆处理记忆处理较易较易相当难相当难TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对比合金性能对比62 铁基形状记忆合金发展较晚，早期的铁基形状记忆合金发展较晚，早期的FePt和和FePd合金合金由于价格昂贵未能得到应用由于价格昂贵未能得到应用 1982年，有关年，有关Fe-Mn-Si记忆合金记忆合金的研究论文的发的研究论文的发表，引起了材料研究工作者极大兴趣，目前主要表，引起了材料研究工作者极大兴趣，目前主要有有Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金等合金 近年来，对铁基形状记忆合金的研究主要集中在近年来，对铁基形
34、状记忆合金的研究主要集中在以以Fe-Mn-Si合金上合金上3.铁基铁基形状记忆合金形状记忆合金63Fe-Mn-Si等铁基形状记忆合金的等铁基形状记忆合金的结构是无序的结构是无序的，并并不呈现热弹性马氏体相变的特征不呈现热弹性马氏体相变的特征。v与与TiNi合金和铜基合金相比，合金和铜基合金相比，Fe基合金价格低、基合金价格低、加工性能好、力学强度高加工性能好、力学强度高v但其但其形状记忆效应不是很好形状记忆效应不是很好：Fe-Ni-Co-Ti合金，合金，预变形超过预变形超过2%后形状记忆效应下降到后形状记忆效应下降到40%以下以下644.形状记忆合金使用中的问题形状记忆合金使用中的问题v形状记
35、忆合金并不是无论承受怎样的变形只要受形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只要受热就都可以回到原状，有时可热就都可以回到原状，有时可残留永久变形残留永久变形v为了保持良好的形状记忆特性，有必要使为了保持良好的形状记忆特性，有必要使变形应变形应变量不超过一定值变量不超过一定值v适宜的应变量决定于热处理、循环使用次数、载适宜的应变量决定于热处理、循环使用次数、载荷、元件的形状和尺寸等许多因素：荷、元件的形状和尺寸等许多因素：当循环使用次数少时，当循环使用次数少时，TiNi合金变形量约为合金变形量约为6%，CuZnAl合金约为合金约为2%当循环使用次数多时分别低于当循环使用次数多时分别低于2%和和0.
36、5%65v形状记忆合金要形状记忆合金要避免过热避免过热，即在形状记忆合金受，即在形状记忆合金受约束状态下，不要达到比约束状态下，不要达到比Af点高很多的温度点高很多的温度 线圈过热，线圈过热，相变引起的形状恢复应力相变引起的形状恢复应力超过丝材本超过丝材本身的屈服应力身的屈服应力 与变形应变过大时的情况相同，合金的形状记忆与变形应变过大时的情况相同，合金的形状记忆特性变坏特性变坏66v合金合金长时间置于高温时长时间置于高温时，会产生不完全记住该温，会产生不完全记住该温度下形状的现象，不能回到正确的原始形状度下形状的现象，不能回到正确的原始形状即即记忆力减退记忆力减退。当当TiNi合金和合金和C
37、uZnAl合金分别长时间置于合金分别长时间置于250和和90以上的温度时以上的温度时 不管载荷大小如何，都出现不良影响不管载荷大小如何，都出现不良影响67四、四、形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用1.工业应用工业应用（1）连接件和紧固件）连接件和紧固件v在在密闭的中空结构件密闭的中空结构件中，很难进行紧固操作中，很难进行紧固操作v形状记忆紧固铆钉形状记忆紧固铆钉依靠三维形状恢复可以进行这依靠三维形状恢复可以进行这种操作种操作 68 Af点低于室温的合金点低于室温的合金用来制造紧固铆钉，用尾部用来制造紧固铆钉，用尾部形状记忆处理成开口形状形状记忆处理成开口形状 在进行紧固操作前，把紧固铆钉浸泡
38、在在进行紧固操作前，把紧固铆钉浸泡在干冰或液干冰或液态空气态空气中进行充分冷却中进行充分冷却 然后把然后把尾部拉直尾部拉直，插入被紧固孔，插入被紧固孔 经过一段时间，温度回升到室温，产生经过一段时间，温度回升到室温，产生形状恢形状恢复复铆钉尾部叉开，把物体固紧铆钉尾部叉开，把物体固紧6970 采用相变点比室稳低得多、约采用相变点比室稳低得多、约 150的的TiNiFe合合金做管接头，把内径加工成比被接管径约小金做管接头，把内径加工成比被接管径约小4%连接操作时，先把管接头浸泡在连接操作时，先把管接头浸泡在液态氮气中液态氮气中，在，在低温保温状态下把低温保温状态下把锥形芯模锥形芯模压入管接头内壁
39、压入管接头内壁使内径扩大约使内径扩大约78%。扩径后的管接头用扩径后的管接头用保温材料保持低温保温材料保持低温，把被接管，把被接管从管接头两侧插入从管接头两侧插入 去掉保温材料，管接头温度上升到室温，内径恢去掉保温材料，管接头温度上升到室温，内径恢复到扩径前状态，牢牢箍紧被接管复到扩径前状态，牢牢箍紧被接管71形状记忆合金作紧固件、连接件的优点形状记忆合金作紧固件、连接件的优点v夹紧力大，接触密封可靠，夹紧力大，接触密封可靠，避免了由于焊接而产避免了由于焊接而产生的冶金缺陷生的冶金缺陷v适于不易焊接的接头适于不易焊接的接头如：如：严禁明火的管道连接、海底输油管道修补、严禁明火的管道连接、海底输
40、油管道修补、金属与塑料等不同材料的连接等。金属与塑料等不同材料的连接等。v由于不需要熔焊那样的高温高热，故由于不需要熔焊那样的高温高热，故不会损害周不会损害周围材料围材料v安装时不需要熟练的技术安装时不需要熟练的技术，连接件在低温下易拆，连接件在低温下易拆卸，便于进行检修卸，便于进行检修72形状记忆合金管接头形状记忆合金管接头73这种管接头在这种管接头在F-14战斗机上使用了战斗机上使用了10万多个，万多个，至今未发生漏油或破损、脱落等事故。至今未发生漏油或破损、脱落等事故。F-14战斗机战斗机74 这类管接头在核潜艇的管路连接上也可应用这类管接头在核潜艇的管路连接上也可应用 150mm大口径
41、管接头大口径管接头在海底输油管道的修补工程在海底输油管道的修补工程上得到应用上得到应用75（2）航天领域天线）航天领域天线用用NiTi合金制做人造卫星天线合金制做人造卫星天线76 宇航天线可由宇航天线可由TiNi合金丝合金丝制成，将天线冷至低温，制成，将天线冷至低温，使其转变为马氏体使其转变为马氏体 TiNi合金的马氏体硬度较低，将合金的马氏体硬度较低，将TiNi合金板或棒合金板或棒卷成卷成竹笋状或旋涡状发条竹笋状或旋涡状发条，收缩后安装在卫星内，收缩后安装在卫星内 卫星进入轨道后，团状天线被弹出，在阳光照射卫星进入轨道后，团状天线被弹出，在阳光照射下，温度升高到下，温度升高到As以上，团状天
42、线自动张开，恢以上，团状天线自动张开，恢复到原来的形状复到原来的形状 温度升高到温度升高到Af温度以上则完全恢复到原来的形状，温度以上则完全恢复到原来的形状，向宇宙空间撑开向宇宙空间撑开771969年年7月月20日，阿波罗日，阿波罗11号登月舱在月球着陆号登月舱在月球着陆所用的直径数米大的天线就是用当时刚刚发明所用的直径数米大的天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。不久的记忆合金制成的。78（3）智能智能结构结构v形状记忆合金可制成驱动器、控制器等应用在智形状记忆合金可制成驱动器、控制器等应用在智能机器人中能机器人中v形状记忆控制器能使机器人微型化形状记忆控制器能使机器人微型化v同传统伺
43、服控制机构相比，一个形状记忆元件就同传统伺服控制机构相比，一个形状记忆元件就可同时起到可同时起到传感传感、驱动驱动和和传递传递三系统功能的作用三系统功能的作用79靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图（具有相当于肩、肘、腕、指等的（具有相当于肩、肘、腕、指等的5维自由度的微型维自由度的微型机器人试制品）机器人试制品）80（4）能量转换热机能量转换热机v形状记忆合金能撑起自重形状记忆合金能撑起自重100倍以上的重量倍以上的重量v马达的驱动力可达自重的马达的驱动力可达自重的50倍倍v而蚂蚁和人则分别是而蚂蚁和人则分别是20倍和倍和2倍倍8182 在在Af点以下温度
44、把重点以下温度把重W的重物挂在的重物挂在形状记忆丝形状记忆丝上，上，丝材伸长到丝材屈服力和重物重力达到平衡丝材伸长到丝材屈服力和重物重力达到平衡 然后把丝材加热到然后把丝材加热到Af点以上，温度上升使合金产点以上，温度上升使合金产生形状恢复，生形状恢复，形状恢复力形状恢复力大于重物重力大于重物重力丝材在保留弹性应变的状态下收缩丝材在保留弹性应变的状态下收缩L，提起重，提起重物做了物做了WgL的功。的功。重物被提上去后降低温度使丝材伸长重物被提上去后降低温度使丝材伸长 再升高温度把重物提上去，实现再升高温度把重物提上去，实现热机循环热机循环831973年，美国试制成第一台年，美国试制成第一台Ti
45、-Ni热机热机，利用冷热水，利用冷热水的温差使的温差使NiTi形状记忆元件伸缩，并伴随极大的应形状记忆元件伸缩，并伴随极大的应力，使轮子转动，实现力，使轮子转动，实现热能与机械能热能与机械能之间的转换之间的转换84 其装置是一个水平放置的轮子，轮辐是偏心结构，其装置是一个水平放置的轮子，轮辐是偏心结构，每根轮辐上挂有用每根轮辐上挂有用Ti-Ni合金制成的合金制成的U形环形环 轮子下的水槽制成两个半圆，分别装入冷热水轮子下的水槽制成两个半圆，分别装入冷热水 当当U型环进入热水槽时，就突然型环进入热水槽时，就突然伸直伸直，产生，产生弹力弹力这种弹力有一部分沿轮子的切线作用，推动轮这种弹力有一部分沿
46、轮子的切线作用，推动轮子旋转。子旋转。当轮辐转入冷水槽内时，伸直的合金丝又恢复弯当轮辐转入冷水槽内时，伸直的合金丝又恢复弯曲形状曲形状85（5）保险器和继电器保险器和继电器形状记忆合金温度保险器形状记忆合金温度保险器862.医学应用医学应用（1）牙科领域牙科领域v矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材进行矫正，牙矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材进行矫正，牙齿矫形用金属丝有齿矫形用金属丝有不锈钢丝不锈钢丝和和CoCr合金丝合金丝：这些材料具有弹性模量高、弹性应变小的缺点这些材料具有弹性模量高、弹性应变小的缺点 用用微小变形可获得很大矫正力微小变形可获得很大矫正力对患者造成疼对患者造成疼痛和不适，同时还容易
47、产生塑性变形痛和不适，同时还容易产生塑性变形 为了给出适宜的矫正力，最初就要加工成弓形为了给出适宜的矫正力，最初就要加工成弓形操作比较复杂操作比较复杂87v利用利用TiNi形状记忆合金的形状记忆合金的超弹性超弹性使得在使得在加载和卸加载和卸载过程中压力恒定载过程中压力恒定即便应变增大，即便应变增大，矫正力却增加很少矫正力却增加很少。v应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性即使应变高达即使应变高达10%也不会产生塑性变形，也不会产生塑性变形，永久永久应变远远小于不锈钢丝应变远远小于不锈钢丝。88TiNi合金牙齿矫形丝合金牙齿矫形丝89（2）矫形外科矫
48、形外科v采用采用 形脊柱人造关节可在形脊柱人造关节可在颈椎治疗颈椎治疗中替代传统中替代传统的骨融合的骨融合 形脊柱人造关节形脊柱人造关节这种关节成形术提高了病人功能恢复的程度，这种关节成形术提高了病人功能恢复的程度，最大程度上减小了进一步的恶化，减轻了痛苦，最大程度上减小了进一步的恶化，减轻了痛苦，同时避免了并发症的发生。同时避免了并发症的发生。90 先在低温下将先在低温下将 形器的弓形臂展平形器的弓形臂展平 并置于并置于颈椎椎体颈椎椎体的中间部位的中间部位 由于体温的影响，由于体温的影响，形器的臂部恢复原状，从而形器的臂部恢复原状，从而保持了颈椎高度保持了颈椎高度91脊柱侧弯矫形用哈伦顿棒脊
49、柱侧弯矫形用哈伦顿棒v脊柱侧弯病症脊柱侧弯病症不仅身心受到剧烈痛苦，而且内脏不仅身心受到剧烈痛苦，而且内脏也受到压迫，所以必须进行外科矫形手术也受到压迫，所以必须进行外科矫形手术92v不锈钢矫形棒安装固定后使脊柱受到的不锈钢矫形棒安装固定后使脊柱受到的矫正力在矫正力在3040kg以下以下v即使安放的矫正力达到即使安放的矫正力达到3040kg，固定后固定后20min后后矫正力就下降矫正力就下降20%之多，再过之多，再过1015天下降到最初天下降到最初固定力的固定力的30%目前常用的目前常用的不锈钢哈伦顿棒不锈钢哈伦顿棒的缺点的缺点这时必须再进行手术，调整矫形力，使患者在这时必须再进行手术，调整矫
50、形力，使患者在精神和肉体上受到极大的痛苦。精神和肉体上受到极大的痛苦。v有时脊柱会受到更大的力，会破坏固定器有时脊柱会受到更大的力，会破坏固定器结结果不仅是脊柱，连神经也有受到损伤的危险果不仅是脊柱，连神经也有受到损伤的危险93v如果用形状记忆合金做哈伦顿棒，只要进行一次如果用形状记忆合金做哈伦顿棒，只要进行一次安放固定手术就行，不需要第二次手术：安放固定手术就行，不需要第二次手术：将将NiTi合金矫形棒先在合金矫形棒先在低温下弯折低温下弯折，使其变形为，使其变形为弓形或弓形或S形，其曲率与脊柱相吻合形，其曲率与脊柱相吻合 然后固定在椎板的棘突上然后固定在椎板的棘突上 在温生理盐水作用下，在温
