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[理学]51 形状记忆合金
第五章 形状记忆合金 钢淬火会变硬,很早就被人们所认识,中国在战国时代已进行钢的淬火。但直到19世纪后期才知道其内部发生了组织变化,并将淬火形成的片状相命名为马氏体。 通常也将铝合金、铜合金、钛合金、等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。 淬火能使钢强化的根本原因是相变,即奥氏体组织通过相变而成为马氏体组织(或贝氏体组织)。 钢淬火工艺最早的应用见于河北易县燕下都遗址出土的战国时代的钢制兵器。 淬火工艺最早的史料记载见于《汉书.王褒传》中的“清水焠其峰”。 将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。 形状记忆效应与形状记忆合金 一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,就产生塑性变形,应力消除后留下永久变形。但有些材料,在发生了塑性变形后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应(SME)。 具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金,称为形状记忆合金(SMA) 形状记忆合金的发现 20世纪60年代初,美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒,用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲,为了使用方便,他把这些合金丝弄直了。但是,当他无意中把合金丝靠近火的时候,奇迹发生了:已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。 形状记忆合金的特点 形状记忆合金材料是一种新型的功能材料,其特点是在一定的外力作用下可以改变其形态(形状和体积),但当温度升高到某一定值时,它又可完全恢复原来的形态。 在航空上的应用—— 月球上的“奇葩” 热弹性马氏体: 马氏体晶核随温度下降逐渐增大,温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度温度上升而缩小。 应力诱发马氏体: 在Ms以上某一温度对合金施加外力也可以引起马氏体转变,形成的马氏体 Ni-Ti基合金,Cu基合金如Cu-Al-Ni,Cu-Zn等马氏体为热弹性,铁基合金 FeMnSi其记忆效应源于应力诱发马氏的相变γ(fcc)到ε(hcp)。 超弹性(伪弹性):应力弹性马氏体形成时合金产生附加应变,当除去应力时,这种附加应变也随之消失。 H和R是表示垂方于堆垛方向的对称性的符号,分别代表六方对称和菱面对称。 只有A、B和c三种密排面构成的3R和9R结构马氏体在母相为CsCl 的B2型结构的合金中出现. 而由A、B、C、A‘、B’和C’六种密排面构成的6R和18R结构马氏体在母极为Fe3AI型结构的B1结构中出现。 但是,2H结构马氏体在两种合金中都会出现。 三种或六种密排而内原子排列成正六形,其第一层和第二层的堆垛此置,沿着母相的【110】方向,即马氏体的【100】方向,分别距底而l/3和2/3处。,单位晶胞c轴长度,9R结构时取到期9层而18R结构时取到期18层. * 锤子平面淬火 斧子淬火 工件内孔淬火 ???????????????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????? 通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀 在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线,然后把它揉成直径5厘米以下的小团,放入阿波罗11号的舱内,在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。 与之对应的电阻随温度变化—相变 形状记忆过程 马氏体相变的特征温度(形状记忆效应的特征温度) Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点 马氏体: 低温相 母相: 高温相 1.形状记忆效应的机制 合金能够发生热弹性马氏体相变; 母相和马氏体
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