形状记忆合金的性质,应用和效应机制.PDF

形状记忆合金的性质，应用及效应机制 PKU CCME 08 杨飏 郑志桐 朱晗宇 潘白龙 摘要   形状记忆合金是一类具有记忆效应的有序型点阵合金。其发现及应用已经有几十年的历 史。本文将以 Ti-Ni 记忆合金为主，旨在介绍其有关历史发现，性质特点，应用领域，以及 其形状记忆效应机制。 关键词   形状记忆合金、形状记忆效应机制、热弹性马氏体相变、Ti-Ni 基形状记忆合金 引语 形状记忆合金（SMA，Shape Memory Alloy）是指一类在特定温度下会回到原先形状的 金属材料。一般来说，这种材料会在相对较低的温度下弹性可塑，而处在一个较高的温度下 时，则会回到塑型之前的形状。尽管这种形状记忆效应在很多类型的合金中都有发现，但能 产生足够回复力以至于完全达到原先的形状的记忆合金，迄今为止只有 Ti-Ni 合金和铜基记 忆合金（例如 Cu-Zn-Al和 Cu-Al-Ni）。 记忆合金的形状记忆效应  历史发现 形状记忆效应（SME，Shape Memory Effect）最早由 Chang 及 Read 于 1932 年在 Au-Cd 合金中观察到。随后的 1938 年，Greninger Mooradian，在 Cu-Zn 合金中发 现了随温度的下降和上升而出现和消失的马氏体相变。在接下来的 10 年中， ChangRead, Kurdjumov Khandros, 普遍观察到了形状记忆效应和与温度有关的马 氏体相变之间的联系。 而 Ti-Ni 记忆合金的发现，则是个纯粹的意外。Ti-Ni 合金最早是由美 国海军军 械实验室(Naval Ordnance Laboratory) 于 1962 年为加强军舰装甲研制的。在一次实 验室例会上，David S. Muzzey 博士突然对合金的热性能产生了兴趣。他把一块已经弯曲 了多次的合金样本加热后，惊奇的发现该样本回到了它最初的形态。Ti-Ni 记忆合金也由此 得名。（Nitinol，(Ti-Ni Naval Ordnance Laboratory)   形状记忆效应机制 形状记忆合金的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变。热弹性马氏体相变中，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。 效应机制中，关键处就在于热弹性马氏体相变，下面来具体说一说。 马氏体： 马氏体(marten site)是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于 19 世纪 90 年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组 织形态通常有片状 (plate)或者板条状 (lath)，但是在金相观察中（二维情况下）通 常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。 马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）或体心立方（BCC）。中高碳钢中加速冷却 通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。 片状马氏体                 板条马氏体                针状马氏体  马氏体相变： 它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形 可以恰当而简练的定义为“原子联动 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 所引起的切变型点阵相变”。母相中的原 转变为马氏体的过程。 子，不是处在各自零散状态，而是在保 持联系性的同时切变成“一个压一个地 横倒”状态。母相内的点阵与马氏体相 内的点阵之间有一一对应关系，当母相 是有序点阵时，马氏体相也会形成特定 的有序点阵。 马氏体相变会伴生一定量的形状变化或表面浮凸。表面浮凸的倾度或直线刻痕的 弯折程度都是由母相的晶面取向而定。