【2017年整理】形状记忆合金介绍.ppt

现代新型材料与纳米材料 New Materials and Nanometer-Materials（5）;第五讲 形状记忆合金 ;主要内容 形状记忆合金的发展 形状记忆合金的原理 形状记忆合金的分类 形状记忆合金的制备 形状记忆合金的应用;金属具有记忆能力 人们把具有“记忆能力”的合金(Shape Memeory Alloy—SMA)做成花、鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入一定温度的水中，可以出现花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动等现象，栩栩如生，如魔术般使人惊叹。;人们对形状记忆效应的物理本质及其影响因素已有较为清晰的认识，形状记忆合金已被确认为一种热驱动功能材料，人们利用其形状记忆效应，在仪器仪表、自动控制、航空航天、医疗器具、汽车工程以及机器人等领域中实现广泛应用。;形状记忆合金的发展 ;形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。 德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温区淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散形式转变为体心立方结构，得到的组织以他的名字被命名为马氏体。 ;1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变，他们的研究在当时并没有受到世界的重视； 1951年，美国的里德等人在Au-Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应； 随后，在InTi合金中也发现了形状记忆效应。 这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。 ;低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。 1962年，美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，无意中靠近手中点燃的雪茄，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。 1963年，军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应。 NiTi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好、成本相对低廉等许多特点而引起极大关注，人们开始考虑形状记忆合金的广泛应用。;1970年，人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象，并明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。 以此为转折点，迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象，如表所示。 现???，人们发现一些有机高分子材料、无机陶瓷等都具有形状记忆的功能。;形状记忆合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度)点;形状记忆合金的原理;Fe在910℃以下为体心立方晶格结构的α-Fe，910℃以上为面心立方晶格结构的γ-Fe。 碳溶解到α-Fe中形成的固溶体为铁素体(F)；碳溶解到γ-Fe中形成的固溶体为奥氏体(A)；如果奥氏体以较大的冷却速度过冷，奥氏体中的碳原子没有扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体，称为马氏体(M)。 由于含碳量过饱和，马氏体的强度和硬度高、塑性低，脆性大。;形状记忆效应：具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，在某一温度下(处于马氏体状态Mf)进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消失温度Af)上时，材料恢复到变形前的初始形状。 具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。;形状记忆效应实验;热弹性马氏体相变;为使A(母相)-M(马氏体相)相变产生，M相的化学自由能必须低于A相。 相变需要驱动力，不过冷到适当低于T0(A相和M相化学自由能达到平衡)的温度，相变不能进行， 逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0的温度，相变才能进行。;低于Ms温度下，马氏体形成以后，界面上的弹性变形随着马氏体的长大而增加； 当表面能、弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与相变化学自由能的减少相等时，马氏体和母相间达到热弹性平衡状态，马氏体停止长大。;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生长。 温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩。 热效应和弹性效应之间的平衡态是热弹性的由来，具有这种行为的马氏体为热弹性马氏体，相变为热弹性马氏体相变。;形状记忆效应原理;形状恢复完全可逆需具备以下条件： 马氏体相变是热弹性的； 母相和马氏体呈现有序的点阵结构； 马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错； 马氏体相变在晶体学上是可逆的。;出现热弹马氏体相变的条件： 母相与马氏体的比容差小； 母相的弹性极限高； 母相原子排列规律性强； 热弹性马氏体相变确保不破坏母相与新相之间的共格联系，新相在加热条件下容易向母相转变。;有序点阵结构 相变时母相的晶体位向自动得到保存，两相间的点阵对应关系单一，相变时点阵应变非常小，逆相变时必然选取原位向的母相； 有序化材料具有较高的弹性极限，热弹性马氏体相变产生的小尺度畸变不会超过材料的弹性极限，逆相变中母相和马氏体相的界面保持弹性共格，为逆相变时重新构成原母相的结