ppt課件-形狀記憶合金

1、物理所：高萌 邢令義形狀記憶合金L O G O擁有擁有“大腦大腦”的合金的合金Yes, I can also rememberL O G O沒放入熱水前沒放入熱水前放入熱水后放入熱水后冷卻至室溫后冷卻至室溫后再次放入熱水后再次放入熱水后雙程雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況記憶合金花的動作變化情況引例L O G O主要內(nèi)容主要內(nèi)容l形狀記憶合金及馬氏體相變形狀記憶合金及馬氏體相變l形狀記憶效應(yīng)的兩種主要機理形狀記憶效應(yīng)的兩種主要機理l形狀記憶合金的分類及性能形狀記憶合金的分類及性能l應(yīng)用應(yīng)用L O G O形狀記憶合金及馬氏體相變形狀記憶合金及馬氏體相變L O G O形狀記憶合金形狀記憶合

2、金形狀記憶合金(Shape Memory Effect,簡稱簡稱SMA) 具有具有形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由兩種以上的金屬元的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)成的合金。素構(gòu)成的合金。形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect,簡稱簡稱SME） 在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態(tài)在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時，通過態(tài)的溫度時，通過馬氏體逆相變馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑性變形前的形恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀的現(xiàn)象。

3、狀的現(xiàn)象。 相相相變相變 馬氏體馬氏體 馬氏體相變馬氏體相變L O G O相：系統(tǒng)中具有確定成分和結(jié)構(gòu)的部分叫做相。：系統(tǒng)中具有確定成分和結(jié)構(gòu)的部分叫做相。 材料的一個相具有不同于其他相的物理、化學(xué)特性。當系材料的一個相具有不同于其他相的物理、化學(xué)特性。當系統(tǒng)的外在約束條件（如溫度、壓力等）改變時，物相將發(fā)統(tǒng)的外在約束條件（如溫度、壓力等）改變時，物相將發(fā)生改變，相變的同時，材料的性能也發(fā)生改變。生改變，相變的同時，材料的性能也發(fā)生改變。相變的條件：（1 1）化學(xué)成分的變化）化學(xué)成分的變化（2 2）晶體結(jié)構(gòu)的變化）晶體結(jié)構(gòu)的變化（3 3）有序程度的變化）有序程度的變化回顧L O G O 鐵的兩

4、種晶體結(jié)構(gòu)：鐵的兩種晶體結(jié)構(gòu)： 體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)（存在于兩個溫度范圍內(nèi)，（存在于兩個溫度范圍內(nèi)，912以下以下稱稱鐵，鐵，1394以上稱以上稱鐵）；鐵）； 面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)（存在于（存在于9121394之間，稱之間，稱鐵）鐵） 以鋼為例介紹馬氏體相變L O G O碳在鋼中的兩種主要存在形式：碳在鋼中的兩種主要存在形式： 溶入鐵中與鐵形成溶入鐵中與鐵形成固溶體固溶體； 與鐵形成鐵碳化合物，稱滲碳體（與鐵形成鐵碳化合物，稱滲碳體（FeFe3 3C C）。）。 碳溶于碳溶于鐵中形成的固溶體稱鐵素體；溶于鐵中形成的固溶體稱鐵素體；溶于 鐵鐵中形成的固溶體稱中形成的固溶體稱奧氏體奧氏體，

5、其最大溶解度為，其最大溶解度為2.11。L O G O過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(C(C曲線曲線) )馬氏體馬氏體珠光體珠光體貝氏體貝氏體奧氏體奧氏體A1至至550為高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體（為高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體（P）550Ms為中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體（為中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體（B）MsMf為低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體（為低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體（M）L O G O馬氏體相變 當母相奧氏體快速冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變成片狀當母相奧氏體快速冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變成片狀或針狀新相，新相為或針狀新相，新相為體心四方結(jié)構(gòu)體心四方結(jié)構(gòu)，與母相的結(jié)構(gòu)，與母相的結(jié)構(gòu)不

6、同，但新相與母相的不同，但新相與母相的成分相同成分相同。 人們把鋼經(jīng)高溫淬火后形成的相叫做人們把鋼經(jīng)高溫淬火后形成的相叫做馬氏體馬氏體相。相。從奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變叫做從奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變叫做馬氏體相變馬氏體相變，馬氏體，馬氏體相變是相變是無擴散型相變。無擴散型相變。L O G O奧氏體奧氏體(A) 馬氏體馬氏體(M) 鋼淬火工藝曲線鋼淬火工藝曲線AM鋼的馬氏體相變不可逆鋼的馬氏體相變不可逆冷卻冷卻加熱加熱L O G O奧氏體奧氏體馬氏體馬氏體產(chǎn)生形狀記憶的條件L O G O形狀記憶效應(yīng)的兩種主要機理形狀記憶效應(yīng)的兩種主要機理l熱彈性馬氏體相變l應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變L O G O 降溫過程中

7、，奧氏體將轉(zhuǎn)變成馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)降溫過程中，奧氏體將轉(zhuǎn)變成馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變開始和終了溫度分別以變開始和終了溫度分別以Ms、Mf表示；加熱過程中，表示；加熱過程中，馬氏體逆相變開始和終了溫度分別以馬氏體逆相變開始和終了溫度分別以As、Af表示。表示。 對于不同材料，這些特征溫度不同。馬氏體逆相對于不同材料，這些特征溫度不同。馬氏體逆相變中存在熱滯后現(xiàn)象，使得變中存在熱滯后現(xiàn)象，使得As大于大于Ms。按。按As-Ms的大的大小小和馬氏體的和馬氏體的生長特征生長特征將馬氏體相變分成將馬氏體相變分成非熱彈性馬氏非熱彈性馬氏體相變體相變和和熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變兩類。兩類。熱彈性馬氏體相變L

8、 O G O Au-Cd合金的相變屬熱彈性馬氏體相變，合金的相變屬熱彈性馬氏體相變，相變溫度滯后很小，相變溫度滯后很小， As-Ms約約10，馬氏體核馬氏體核心以突發(fā)式成核并長到一定大小，馬氏體相和母心以突發(fā)式成核并長到一定大小，馬氏體相和母相間保持著彈性平衡相間保持著彈性平衡。溫度下降溫度下降時，相變化學(xué)自時，相變化學(xué)自由能增大，馬氏體長大的推動力增大，馬氏體片由能增大，馬氏體長大的推動力增大，馬氏體片的厚度、大小繼續(xù)增加，同時也可能形成新的馬的厚度、大小繼續(xù)增加，同時也可能形成新的馬氏體核心。氏體核心。 L O G O 反之，如果反之，如果升高溫度升高溫度，則轉(zhuǎn)變就向相反的，則轉(zhuǎn)變就向相反

9、的方向進行，即方向進行，即馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，馬氏體片，馬氏體片就縮小，甚至完全消失。在這種情況下，只要馬就縮小，甚至完全消失。在這種情況下，只要馬氏體界面上的共格性未被破壞，則馬氏體片可氏體界面上的共格性未被破壞，則馬氏體片可隨隨著驅(qū)動力的改變而反復(fù)發(fā)生長大或縮小著驅(qū)動力的改變而反復(fù)發(fā)生長大或縮小。具有這。具有這種特征的馬氏體稱為種特征的馬氏體稱為“熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體” 。 L O G O奧氏體奧氏體馬氏體馬氏體L O G O應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變L O G OL O G O奧氏體奧氏體馬氏體馬氏體L O G O形狀記憶機理總結(jié)L O G O形狀記憶合金的分類及性能形

10、狀記憶合金的分類及性能L O G O形狀記憶合金分類（1 1）單程記憶效應(yīng)）單程記憶效應(yīng)（2 2）雙程記憶效應(yīng)）雙程記憶效應(yīng)L O G O（3）全程記憶效應(yīng)）全程記憶效應(yīng)L O G O機械性質(zhì)優(yōu)良機械性質(zhì)優(yōu)良能恢復(fù)的形變可高達能恢復(fù)的形變可高達10，（一般金屬材料一般金屬材料0.1）。）。在智能材料和智能機械的設(shè)計中有重要的價值。在智能材料和智能機械的設(shè)計中有重要的價值。形狀記憶合金的性能形狀記憶合金的性能回復(fù)應(yīng)力回復(fù)應(yīng)力非常非常大大，可達可達500MPa可感受溫度、外力變化并通過調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)來可感受溫度、外力變化并通過調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外界條件適應(yīng)外界條件對環(huán)境刺激的對環(huán)境刺激的自適應(yīng)性自適

11、應(yīng)性無無通常金屬呈現(xiàn)的通常金屬呈現(xiàn)的“疲勞斷裂疲勞斷裂”現(xiàn)象現(xiàn)象。L O G O形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用L O G ONiTi形狀記憶合金折疊發(fā)射形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖自動張開的宇航天線原理圖月球上的月球上的“奇葩奇葩” 宇航宇航天線天線工業(yè)應(yīng)用L O G O連接件和緊固件連接件和緊固件l形狀記憶合金管接頭用相變點約形狀記憶合金管接頭用相變點約- -150150的的TiNiFeTiNiFe合金制備。合金制備。合金內(nèi)徑加工成比被接管徑約小合金內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4-54-5，把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中，在把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中，在低溫狀低溫狀態(tài)下使內(nèi)徑擴大態(tài)

12、下使內(nèi)徑擴大約約7-8%7-8%，擴徑后管接頭用保溫材料保持低溫，被擴徑后管接頭用保溫材料保持低溫，被接管從管接頭兩側(cè)插入，接管從管接頭兩側(cè)插入，去掉保溫材料去掉保溫材料，管接頭溫度上升到室溫，管接頭溫度上升到室溫，內(nèi)徑恢復(fù)到擴徑前狀態(tài)，牢牢箍緊被接內(nèi)徑恢復(fù)到擴徑前狀態(tài)，牢牢箍緊被接管管。形狀記憶管接頭形狀記憶管接頭L O G O形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控制器等應(yīng)用在智能機器人中智能控制器智能控制器溫控智能機器人元件溫控智能機器人元件 智能機器人智能機器人L O G Ol當心臟出現(xiàn)毛病，不可能用手術(shù)治療時，不得不依賴于心當心臟出現(xiàn)毛病，不可能用手術(shù)治療時，不得不依賴于心臟移植或人工心臟。臟移植或人工心臟。l可以用形狀記憶合金制造人工心臟用人造肌肉，用以充當可以用形狀記憶合金制造人工心臟用人造肌肉，用以充當人造心臟的驅(qū)動源。人造心臟的驅(qū)動源。人工心臟用人造肌肉人工心臟用人造肌肉人人造造心心臟臟醫(yī)學(xué)應(yīng)用L O G Ol治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設(shè)計了一種用治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設(shè)計了一種用于治療髕骨骨折的于治療髕骨骨折的形狀記憶形狀記憶NiTiNiTi聚髕器聚髕器，現(xiàn)已成功，現(xiàn)已成功用于臨床治療之中。用于臨床治療之中。l聚髕器由功能爪和連接腰組成，能從多個