形狀記憶合金原理

1、 神奇的功能材料神奇的功能材料形狀記憶合金形狀記憶合金 北京交通大學(xué)北京交通大學(xué) 張克軍張克軍 2022-3-42神奇的功能材料神奇的功能材料形狀記憶合金形狀記憶合金v形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)vTi-Ni形狀記憶合金的原理形狀記憶合金的原理vTi-Ni形狀記憶合金的驅(qū)動性能研究形狀記憶合金的驅(qū)動性能研究v形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用2022-3-43 1932年，年，瑞典人奧蘭德瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到在金鎘合金中首次觀察到“記憶記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來到一定的躍變溫度時(shí)，

2、它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。憶合金。 形狀記憶合金作為一種新型功能性材料為人們所認(rèn)形狀記憶合金作為一種新型功能性材料為人們所認(rèn)識，并成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支，可以認(rèn)為是始于識，并成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支，可以認(rèn)為是始于1963年。當(dāng)時(shí)年。當(dāng)時(shí)美國的海軍武器實(shí)驗(yàn)室美國的海軍武器實(shí)驗(yàn)室的的W.J.Buchler博土研博土研究小組，在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)，究小組，在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)，TiNi合金工件因?yàn)楹辖鸸ぜ驗(yàn)闇囟炔煌?，敲擊時(shí)發(fā)出的聲音明顯不同，這說明該合金溫度不同，敲擊時(shí)發(fā)出的聲音明顯不同，這說明

3、該合金的聲阻尼性能與溫度相關(guān)。通過進(jìn)一步研究，將這種材的聲阻尼性能與溫度相關(guān)。通過進(jìn)一步研究，將這種材料制成的細(xì)絲的一端彎曲，并靠近點(diǎn)煙火柴火焰，發(fā)現(xiàn)料制成的細(xì)絲的一端彎曲，并靠近點(diǎn)煙火柴火焰，發(fā)現(xiàn)彎曲的細(xì)絲伸直了。彎曲的細(xì)絲伸直了。 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,簡稱簡稱SME)形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度 以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng) 的外界條件，材料的變形隨之消失的外界條件，材料的變形隨之消失 而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效

4、應(yīng)的材料具有形狀記憶效應(yīng)的材料形狀記憶材料形狀記憶材料形狀記憶合金形狀記憶合金 一般金屬材料收到外力作用后，首先發(fā)一般金屬材料收到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，金屬就產(chǎn)生塑性生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，金屬就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后就產(chǎn)生了永久變形。有些變形，應(yīng)力消除后就產(chǎn)生了永久變形。有些金屬在高溫下定形后冷卻到低溫并施加變形，金屬在高溫下定形后冷卻到低溫并施加變形，從而形成殘余形變。從而形成殘余形變。 具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金形狀記憶合金 (Shape Memo

5、ry Alloys，簡稱，簡稱SMA)。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶合形狀記憶合金金 形狀記憶效應(yīng)可分為形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：種類型： 單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng) 雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng) 全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶合金形狀記憶合金單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng)材料在材料在高溫下高溫下制成某種形狀，制成某種形狀， 在在低溫相低溫相時(shí)將其任意變形，時(shí)將其任意變形， 再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀，再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀， 而重新冷卻時(shí)卻不能恢

6、復(fù)低而重新冷卻時(shí)卻不能恢復(fù)低 溫相時(shí)的形狀。溫相時(shí)的形狀。 形狀記憶合金形狀記憶合金單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷 卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通 過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù) 恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象，恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象， 或稱為或稱為可逆形狀記憶效應(yīng)可逆形狀記憶效應(yīng)。 形狀記憶合金形狀記憶合金雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷 卻時(shí)變?yōu)閰s時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾葱螤钕嗤∠蛳喾?的高溫相

7、形狀的高溫相形狀的現(xiàn)象。只能在的現(xiàn)象。只能在 富鎳的富鎳的Ti- Ni合金合金中出現(xiàn)。中出現(xiàn)。 形狀記憶合金形狀記憶合金全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)馬氏體相變與形狀記憶原理馬氏體相變與形狀記憶原理熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變超彈性和偽彈性超彈性和偽彈性應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變形狀記憶合金形狀記憶合金普通的馬氏體相變是普通的馬氏體相變是鋼的淬火強(qiáng)化鋼的淬火強(qiáng)化方法，即把鋼加方法，即把鋼加熱到某個(gè)臨界溫度以上保溫一段時(shí)間，然后迅速冷熱到某個(gè)臨界溫度以上保溫一段時(shí)間，然后迅速冷卻，鋼轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N馬氏體結(jié)構(gòu)，并使鋼硬化。卻，鋼轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N馬氏體結(jié)構(gòu)，并使鋼硬化。大部分合金和陶瓷記憶材料

8、是通過大部分合金和陶瓷記憶材料是通過熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體相變相變而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。馬氏體相變與形狀記憶原理馬氏體相變與形狀記憶原理奧氏體奧氏體(A) 馬氏體馬氏體(M)45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形狀記憶合金形狀記憶合金在某些合金中發(fā)現(xiàn)在某些合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變：馬氏體一旦生成可以隨著溫度降低繼續(xù)長大，當(dāng)溫度馬氏體一旦生成可以隨著溫度降低繼續(xù)長大，當(dāng)溫度回升時(shí)，長大的馬氏體又可以縮小，直至恢復(fù)到原來回升時(shí)，長大的馬氏體又可以縮小，直至恢復(fù)到原來的母相狀態(tài)，即的母相狀態(tài)，即馬氏體隨著溫

9、度的變化可以可逆地長馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小大或縮小熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體AM 可逆性可逆性冷卻冷卻加熱加熱形狀記憶合金形狀記憶合金具有具有較較低的對低的對稱性稱性的的正交或正交或單斜晶單斜晶系，內(nèi)系，內(nèi)部是孿部是孿晶變形晶變形或?qū)渝e(cuò)或?qū)渝e(cuò)具有具有較較高的對高的對稱性稱性的的立方點(diǎn)立方點(diǎn)陣陣形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：是在是在溫度的作用溫度的作用下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過程的宏觀表現(xiàn)。變化、消失的相變過程的宏觀表現(xiàn)。 熱彈性馬氏體相變時(shí)伴隨有形狀的變化。熱彈性馬氏體相變時(shí)伴隨有形狀的變化。形狀記憶合形狀記憶合金金

10、形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型形狀記憶合金形狀記憶合金超彈性或偽彈性超彈性或偽彈性 形狀記憶合金發(fā)生超彈形狀記憶合金發(fā)生超彈 性變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線性變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線 (Af溫度以上加載）溫度以上加載） 產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金，在Af溫度以上誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體只在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定地存在，應(yīng)力一旦解除，立即產(chǎn)生逆相變，回到母相狀態(tài)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也隨逆相變而完全消失。其中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性，這種非線性彈性和相變密切相關(guān)，叫做相變偽彈性 或超彈性在在T0與與Ms之間的某一溫度之間的某一溫度對合金施加外力對合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)

11、變。也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變。由外部應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變稱為由外部應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變稱為應(yīng)力誘應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變發(fā)馬氏體相變 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。本質(zhì)：應(yīng)力作用使材料的本質(zhì)：應(yīng)力作用使材料的MS點(diǎn)升高。點(diǎn)升高。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變2022-3-417Ti-Ni形狀記憶合金的驅(qū)動性能研究形狀記憶合金的驅(qū)動性能研究v預(yù)應(yīng)變預(yù)應(yīng)變Ti-Ni合金絲在加熱合金絲在加熱、 冷卻過程的回復(fù)力冷卻過程的回復(fù)力溫度曲線溫度曲線vTi-Ni合金儲能合金儲能、耗能耗能、輸出功與溫度和預(yù)應(yīng)變關(guān)系輸出功與溫度和預(yù)應(yīng)變關(guān)系vTi-Ni

12、合金熱合金熱-機(jī)循環(huán)過程中的應(yīng)力機(jī)循環(huán)過程中的應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變溫度關(guān)系溫度關(guān)系v形狀記憶合金的阻尼特性形狀記憶合金的阻尼特性 Ti-Ni基形狀記憶合金基形狀記憶合金 優(yōu)點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好優(yōu)點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好 缺點(diǎn)：制造過程較復(fù)雜，價(jià)格高昂缺點(diǎn)：制造過程較復(fù)雜，價(jià)格高昂 Ti-Ni合金通過在合金通過在1000左右固溶后，在左右固溶后，在400進(jìn)行時(shí)效處理，再淬火得到馬氏體。進(jìn)行時(shí)效處理，再淬火得到馬氏體。形狀記憶合形狀記憶合金金 形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金形狀記憶合金高技術(shù)中的應(yīng)用高技術(shù)中的應(yīng)用 ： 制造人造衛(wèi)星天線制造人造衛(wèi)星天線

13、Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美國宇航局的月面天線計(jì)劃：美國宇航局的月面天線計(jì)劃：在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5 5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅1111號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀, ,從而能從而能用空間有限的用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線。火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線。形狀記憶合金形狀記憶合金工程應(yīng)用工程應(yīng)用:緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等 形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D形狀記憶合金形狀記憶合金醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用:牙齒矯形絲、血栓過濾器、動脈瘤牙齒矯形絲、血栓過濾器、動脈瘤 夾、接骨板等（夾、接骨板等（Ti-Ni合金）合金） 支撐性與柔韌性完美協(xié)調(diào)支撐性與柔韌性完美協(xié)調(diào) 的的Ti-Ni記憶合金食道記憶合金食道支架支架形狀記憶合金形狀記憶合金智能應(yīng)用智能應(yīng)用 形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動雙重功能為形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動雙重功能為 一體一體 的新型材料，可廣泛應(yīng)用于