材料结构与性能马氏体相变及形状记忆合金.ppt

第四章 马氏体相变及形状记忆合金 内容 马氏体相变 共析转变 形状记忆合金及其应用 马氏体相变 在很小范围内发生原子相当激烈的重排 在很大范围内原子发生轻微的重排 钢：含碳量小于2％并含有某些其他元素的铁碳合金。 合金：指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组成合金的基本的独立的物质称为组元。组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。固态下所形成的合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类 。 固溶体：是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶人其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 铁的两种晶体结构： 体心立方结构（存在于两个温度范围内，912℃以上称α铁，1394℃以上称δ铁）； 面心立方结构（存在于912～1394℃之间，称γ铁） 碳在钢中的两种主要存在形式： 溶入铁中与铁形成固溶体； 另一是与铁形成铁碳化合物，称渗碳体（Fe3C）。 碳溶于α铁中形成的固溶体称铁素体；溶于γ铁中形成的固溶体称奥氏体，其最大溶解度为2.11％。 共析转变（珠光体转变） 从固溶体母相中以相互协作的方式生长为结构、成分均不同于母相的两个新固相。 γ β＋α 形成铁素体、渗碳体交替分布的片层状共析组织，由于其经抛光、侵蚀后在光学显微镜下的形态而得名珠光体。 热弹性马氏体相变 当马氏体形成时由于新旧两相的比容不同以及在界面要保持共格联系，马氏体片和基体之间处于一种应变状态。对于那些马氏体转变热滞值小、新旧相间比容变化小的合金（如Au-Cd，In-Tl等），在一定温度下，马氏体片长大到一定尺寸后，其弹性应变能已增加到与化学自由能相等，此时马氏体片的长大变暂时停止，达到一种热弹性平衡状态。不过，此时相变所产生的应力尚未破坏母相的屈服点，没有在母相基体内引起塑性形变，因此共格联系未被破坏。如果再继续降低温度或施加一外应力，则相变又获得了驱动力，马氏体片重新长大，达到一种新的平衡状态后长大又暂时停止。 反之，如果升高温度或取消外应力，则转变就向相反的方向进行，即马氏体逆转变为奥氏体，马氏体片就缩小，甚至完全消失。在这种情况下，只要马氏体界面上的共格性未被破坏，则马氏体片可随着驱动力的改变而反复发生长大或缩小。具有这种特征的马氏体称为“热弹性马氏体。” 具有热弹性马氏体转变的合金会产生“超弹性”和“形状记忆效应”。 形状记忆合金（SMA） 形状记忆效应（SME）：如果将具有热弹性转变的合金在一定条件下施加外力或将其冷却到该合金的Ms点（或Mf）点以下并使之发生形状改变，如果再将这种合金加热到高温相状态（即As点以上）使马氏体发生逆转变，此时合金又会自动地恢复到变形前的形状。这种现象称为“形状记忆效应”。 SMA的发展过程 1951年美国的Lead首先在Au-Cd、In-Ti合金中发现形状记忆效应，他利用Au-47.5%Cd合金的记忆效应制作升降机模型，但由于合金元素价格高、有毒，没有进行实用化尝试而销声匿迹。 1963年美国海军研究所的W. Bueher等人发现Ni-Ti合金也有形状记忆效应，并设计了新的机械实验装置，受到许多研究者的关注。 1969年美国Raychem公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金管接头用于F14战斗机上的液压管路系统连接，这是SMA第一次成功应用。70年代以后SMA真正进入实用化阶段。至80年代末SMA的研究才遍及世界。90年代初，该合金得到进一步的发展，现已出现第三代形状记忆合金，且进入商品化阶段。 TiNi合金 TiNi合金的结构和相变 TiNi合金相变的影响因素 成分的影响 Ni含量在47～51at％，Ms从80℃降至-150℃。含Ni量超过此范围，合金便不存在形状记忆效应。 热处理、加工的影响 TiNi合金的形状记忆处理 单程记忆处理 中温处理 400~500℃ 低温处理 200~300℃ 时效处理 400℃几个小时 双程记忆处理 强制变形 约束加热 训练 全程记忆处理 SMA的应用 形状记忆合金在现代临床医疗领域内已获得广泛应用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，各类人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线等等，都可以用形状记忆合金制成。医用腔内支架的应用原理如4所示。记忆合金支架经过预压缩变