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1、目录目录一、形状记忆效应一、形状记忆效应(Shape Memory Effect)二、形状记忆效应的机理二、形状记忆效应的机理(Mechanism)三、形状记忆合金材料三、形状记忆合金材料(SMA Materials)四、形状记忆合金的应用四、形状记忆合金的应用(Applications)第1页/共60页形状记忆形状记忆是指具有初始形状的制品变形后，通过加热等处理手段又回复初是指具有初始形状的制品变形后，通过加热等处理手段又回复初始形状的功能。始形状的功能。具有形状记忆功能的材料包括具有形状记忆功能的材料包括形状记忆合金形状记忆合金和和形状记忆聚形状记忆聚合物合物。第2页/共60页 形状记忆效
2、应最早发现于形状记忆效应最早发现于3030年代年代，19321932年年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状。般地变回到原来的形状。2020世纪世纪3030年代，美国哈佛大学年代，美国哈佛大学A.B.GreningerA.B.Greninger等发现等发现CuZnCuZn合金在加热与冷却的过程合金在加热与冷却的过程中，马氏体会随之收缩与长大；中，马氏体会随之收缩与长大；19481948年，前
3、苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变；相变；19511951年，张禄经、年，张禄经、ReadRead发现发现Au-47.5%CdAu-47.5%Cd具有形状记忆效应；具有形状记忆效应；第3页/共60页 1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）的Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol（Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形状记忆合金；70年代，CuAlNi也被发现
4、具有形状记忆功能；1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆功能，并在工业中得到应用；第4页/共60页合金的这种记忆效应是由合金的“相变化”来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为神奇的功能材料。第5页/共60页一、形状记忆效应一、形状记忆效应(Shape Memory Effect)某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏
5、体相消失的温度时，随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料材料 就能完全恢复变形前就能完全恢复变形前的形状和体积，这种的形状和体积，这种现象称为现象称为形状记忆效形状记忆效应应(SME)。具有形状具有形状记忆效应的合金称记忆效应的合金称形形状记忆合金状记忆合金(SMA)。第6页/共60页形状记忆效应形状记忆效应第7页/共60页形状记忆效应 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，压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由两种以上金
6、属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。普通金属材料 形状记忆合金第8页/共60页形状记忆效应形状记忆效应 形形状状记记忆忆合合金金的的形形状状记记忆忆效效应应按按形形状状恢恢复复情情况况可可以以分分为为三类：三类：单程形状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程记忆效应全程记忆效应形状记忆效应的三种形式形状记忆效应的三种形式(a)单程单程(b)双程双程(c)全程全程冷却冷却第9页/共60页单程记忆效应单程记忆效应将将母母相相在在高高温温下下制制成成某某种种形形状状，再再将将母母相相冷冷却却，使使之之发生马氏体相变，然后对马氏体进行任意变形；发生马氏体相变，然后对马氏
7、体进行任意变形；当当温温度度升升至至Af点点，马马氏氏体体完完全全消消失失，材材料料恢恢复复母母相相形形状，重新冷却时不能恢复低温相时的形状状，重新冷却时不能恢复低温相时的形状。双程记忆效应双程记忆效应加加热热时时恢恢复复高高温温相相形形状状，冷冷却却时时恢恢复复低低温温相相形形状状，通通过过温温度度升升降降自自发发可可逆逆地地反反复复恢恢复复高高低低温温相相形形状状的的现现象象称为双程记忆效应，称为双程记忆效应，又称可逆记忆效应。又称可逆记忆效应。全程形状记忆效应全程形状记忆效应加加热热时时恢恢复复高高温温形形状状，冷冷却却时时变变为为形形状状相相同同而而取取向向相相反的高温相的现象。反的高
8、温相的现象。第10页/共60页（a）马氏体状态下未变形）马氏体状态下未变形（b）马氏体状态下已变形）马氏体状态下已变形（c）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复单程单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况记忆合金弹簧的动作变化情况第11页/共60页没放入热水前没放入热水前放入热水后放入热水后冷却至室温后冷却至室温后再次放入热水后再次放入热水后双程双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况记忆合金花的动作变化情况第12页/共60页a.把把受受过过强强迫迫时时效效的的四四条条薄薄带带在在其其中中心心位位置置上上以以45度度的的夹夹角角捆捆扎扎在
9、在一一起起，在在约约100开开水水中中(加加热热)呈呈现现具具有有凸凸透透镜曲率的近圆形，如镜曲率的近圆形，如a所示；所示；b.从开水中缓慢提起来时自行变化成从开水中缓慢提起来时自行变化成b形状；形状；c.完全提上来且于完全提上来且于室温室温下时，变化成近直线形状下时，变化成近直线形状c；ac之间的自发形变是由奥氏体向马氏体相变引起之间的自发形变是由奥氏体向马氏体相变引起。TiNi合金的全程记忆效应（合金的全程记忆效应（100-室温）室温）第13页/共60页d.浸泡在浸泡在冰水冰水中时，下部变化成中时，下部变化成d形状；形状；e.在在干干冰冰-酒酒精精液液中中冷冷却却到到约约-40时时(冷冷却
10、却，奥奥氏氏体体全全部部转转变变成成马马氏氏体体)变变化化成成e形形状状，同同a相相比比完完全全是是其其相相反反的的形状形状；f.再再次次返返回回到到开开水水(重重新新加加热热，马马氏氏体体全全部部转转变变成成奥奥氏氏体体)中时，立刻变化成中时，立刻变化成f形状，其形状与形状，其形状与a完全相同。完全相同。TiNi合金的全程记忆效应（低温合金的全程记忆效应（低温-100）第14页/共60页形状记忆合金特性集传感、驱动、控制、换能于一身机械性质优良，能恢复的形变可高达10，而一般金属材料只有0.1以下有确定的转变温度 镍钛 50在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa对环境适应能力强，不受
11、温度以外的其他因素影响无振动噪声，无污染抗疲劳 回忆变形500万次不疲劳变形第15页/共60页钢淬火变硬的现象图5.1马氏体相变晶体学模型马氏体相变马氏体相变二、形状记忆效应的机理二、形状记忆效应的机理(Mechanism)第16页/共60页马氏体相变 当母相奥氏体快速冷却时，奥氏体转变成片状或针状新相，新相为体心四方结构，与母相的结构不同，但新相与母相的成分却相同。为了纪念德国冶金专家马丁(A.Martens)在金相研究方面的贡献，人们把钢经高温淬火后形成的相叫做马氏体相。从奥氏体到马氏体的转变叫做马氏体相变，马氏体相变是无扩散型相变。第17页/共60页普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即
12、把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。马氏体相变奥氏体(A)马氏体(M)图4 45钢淬火工艺曲线AM钢的马氏体相变不可逆冷却加热马氏体回火，析出强化第18页/共60页 降温过程中，奥氏体将转变成马氏体。马氏体转变开始和终了温度分别以Ms、Mf表示；加热过程中，马氏体逆相变开始和终了温度分别以As、Af表示。对于不同材料，这些特征温度不同。马氏体逆相变中存在热滞后现象，使得As大于Ms。按As-Ms的大小和马氏体的生长特征将马氏体相变分成非热弹性马氏体相变和热弹性马氏体相变两类。由于马氏体和奥氏体具有不同的电阻率，因此可以用电阻测量的方法来测量
13、在升温、降温过程中马氏体量的变化。热弹性马氏体相变第19页/共60页 下图是Fe-Ni、Au-Cd两类合金马氏体相变时的电阻变化，显然，Fe-Ni合金与Au-Cd合金的相变属于两种不同性质的马氏体相变。Fe-Ni合金的相变为非热弹性马氏体相变，而Au-Cd合金的相变属热弹性马氏体相变。第20页/共60页非热弹性马氏体相变 非热弹性马氏体的热滞后现象严重，As与Ms相差数百度，如Fe-Ni合金As-Ms约400。连续冷却中不断形成马氏体，而且每个马氏体片都是以极快的速率长到最后大小，进一步降温中，马氏体片不再长大。马氏体生长速率，也就是相界推进速率，与冷却速率无关。马氏体量由成核率和马氏体片的大
14、小来确定，与马氏体片的生长速率无关，相变速率是降温速率的函数。第21页/共60页 Au-Cd合金的相变属热弹性马氏体相变，相变温度滞后很小，As-Ms约10，马氏体核心以突发式成核并长到一定大小，马氏体相和母相间保持着弹性平衡。温度下降时，相变化学自由能增大，马氏体长大的推动力增大，马氏体片的厚度、大小继续增加，同时也可能形成新的马氏体核心。相变速率不仅与成核率有关，也与马氏体成长速率有关，马氏体生长速率受冷却速率的控制。热弹性马氏体相变第22页/共60页23 反之，如果升高温度或取消外应力，则转变就向相反的方向进行，即马氏体逆转变为奥氏体，马氏体片就缩小，甚至完全消失。在这种情况下，只要马氏
15、体界面上的共格性未被破坏，则马氏体片可随着驱动力的改变而反复发生长大或缩小。具有这种特征的马氏体称为“热弹性马氏体”。具有热弹性马氏体转变的合金会产生具有热弹性马氏体转变的合金会产生“超弹性超弹性”和和“形状记忆效应形状记忆效应”。第23页/共60页在某些合金中发现热弹性马氏体相变：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小热弹性马氏体AM 可逆性冷却加热母 相马氏体第24页/共60页形状记忆机理：（1 1）热弹性马氏体相变奥氏体相相体心立方晶体体心立方晶体结构的结构的CsClCsCl相相马
16、氏体相相(M)(M)低对称性的单低对称性的单斜晶体结构斜晶体结构高温高温低温低温降温降温升温升温 形形形形状状状状记记记记忆忆忆忆效效效效应应应应是是是是由由由由于于于于合合合合金金金金中中中中发发发发生生生生了了了了热热热热弹弹弹弹性性性性(或或或或应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发)马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变。热热热热弹弹弹弹性性性性马马马马氏氏氏氏体体体体和和和和应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发马马马马氏氏氏氏体体体体统统统统称称称称为为为为弹弹弹弹性性性性马马马马氏氏氏氏体体体体。只只只只有有有有弹弹弹弹性性性性马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变才能产生形状记忆效应。
17、才能产生形状记忆效应。才能产生形状记忆效应。才能产生形状记忆效应。第25页/共60页MsMs冷却时产生热弹性马氏体的起始温度M Mf f冷却时转变的终止温度AsAs升温时逆转变的起始温度A Af f逆转变终止温度热弹性马氏体随温度变化的相变过程0温度马氏体低温相奥氏体 母相AsAfMsMf电阻 图7 随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化降温升温第26页/共60页形状恢复完全可逆形状恢复完全可逆需具备以下条件：需具备以下条件：马氏体相变是马氏体相变是热弹性热弹性的；的；母相和马氏体呈现母相和马氏体呈现有序的点阵结构有序的点阵结构；马马氏氏体体点点阵阵的的不不变变切切变变为为孪孪生生，亚亚结结构构
18、为为孪孪晶晶或或层错层错；马氏体相变在晶体学上是马氏体相变在晶体学上是可逆的可逆的。第27页/共60页应力诱发马氏体相变与超弹性超弹性超弹性(superelasticitysuperelasticity)变形变形 对对对对母母母母相相相相状状状状态态态态的的的的样样样样品品品品在在在在A Af f温温温温度度度度以以以以上上上上施施施施加加加加外外外外力力力力，随随随随外外外外力力力力增增增增加加加加，样样样样品品品品首首首首先先先先发发发发生生生生遵遵遵遵循循循循虎虎虎虎克克克克(Hook)(Hook)定定定定律律律律的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形。应应应应力力力力超超超超过过过过
19、弹弹弹弹性性性性极极极极限限限限后后后后，随随随随应应应应力力力力的的的的缓缓缓缓慢慢慢慢增增增增加加加加，样样样样品品品品的的的的应应应应变变变变显显显显著著著著增增增增加加加加，在在在在一一一一定定定定的的的的应应应应变变变变范范范范围围围围内内内内卸卸卸卸载载载载，应应应应变变变变会会会会完完完完全全全全消消消消失失失失，如如如如同同同同弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形，但但但但其其其其应应应应变变变变量量量量远远远远远远远远超超超超出出出出通通通通常常常常意意意意义义义义上上上上的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形，称称称称之之之之为为为为超超超超弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形。
20、其其其其实实实实质质质质与与与与弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形不不不不同同同同，故故故故又又又又称称称称它它它它为为为为伪伪伪伪弹弹弹弹性性性性(pseudoelasticity(pseudoelasticity，PE)PE)变变变变形形形形或或或或者者者者赝赝赝赝弹弹弹弹性性性性。第28页/共60页应力诱发马氏体相变超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。随外加应力的增加，在应力作用下母相与马氏随外加应力的增加，在应力作用下母相与马氏随外加应力的增加，在应力作用下母相与马
21、氏随外加应力的增加，在应力作用下母相与马氏体间处于平衡的温度体间处于平衡的温度体间处于平衡的温度体间处于平衡的温度T T0 0()()增加，增加，增加，增加，MMs s和和和和A Af f也相应增加。也相应增加。也相应增加。也相应增加。当当当当MMs s超过环境温度时，母相开始相变为马氏体。随超过环境温度时，母相开始相变为马氏体。随超过环境温度时，母相开始相变为马氏体。随超过环境温度时，母相开始相变为马氏体。随应力的增加，应力的增加，应力的增加，应力的增加，MMs s 高于环境温度的幅度更大，马氏体高于环境温度的幅度更大，马氏体高于环境温度的幅度更大，马氏体高于环境温度的幅度更大，马氏体转变的
22、量随之增加，即马氏体由应力诱发而形成，转变的量随之增加，即马氏体由应力诱发而形成，转变的量随之增加，即马氏体由应力诱发而形成，转变的量随之增加，即马氏体由应力诱发而形成，发生了应力诱发马氏体相变。卸除外力，合金的相发生了应力诱发马氏体相变。卸除外力，合金的相发生了应力诱发马氏体相变。卸除外力，合金的相发生了应力诱发马氏体相变。卸除外力，合金的相变点降低，回复到应力为零时的相变点。由于此时变点降低，回复到应力为零时的相变点。由于此时变点降低，回复到应力为零时的相变点。由于此时变点降低，回复到应力为零时的相变点。由于此时合金的合金的合金的合金的A Af f点低于环境温度，马氏体逆转变回母相，点低于
23、环境温度，马氏体逆转变回母相，点低于环境温度，马氏体逆转变回母相，点低于环境温度，马氏体逆转变回母相，样品的变形随之消失，显示出超弹性。样品的变形随之消失，显示出超弹性。样品的变形随之消失，显示出超弹性。样品的变形随之消失，显示出超弹性。第29页/共60页AfAf温度以上的母相状态样品温度以上的母相状态样品温度以上的母相状态样品温度以上的母相状态样品简单拉伸应力-应变曲线第30页/共60页三、形状记忆合金材料三、形状记忆合金材料(SMA Materials)已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系系、铜系铜系、铁系铁系合金三大类。合金三大类。目前
24、已实用化的目前已实用化的形状记忆合金只有形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金系合金和铜系合金。第31页/共60页（1）Ti-Ni基形状记忆合金 具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性；蚀性、生物相容性以及高阻尼特性；研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料，是目前应用最为广泛研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料，是目前应用最为广泛的形状记忆材料；的形状记忆材料；应用范围：航天、航空、机械、电子、交通、建筑、能源、生物医学及日常生应用范围：航天
25、、航空、机械、电子、交通、建筑、能源、生物医学及日常生活等领域。活等领域。缺点：制造过程较复杂，价格较昂贵。缺点：制造过程较复杂，价格较昂贵。第32页/共60页（2）铜基形状记忆合金）铜基形状记忆合金由由由由Cu-ZnCu-Zn和和和和Cu-AlCu-Al两个二元系发展而来；两个二元系发展而来；两个二元系发展而来；两个二元系发展而来；种类较多：种类较多：种类较多：种类较多：Cu-Zn-AlCu-Zn-Al基、基、基、基、Cu-Al-NiCu-Al-Ni基；基；基；基；Cu-Al-MnCu-Al-Mn系列；系列；系列；系列；优点：价格便宜，易于加工制造；优点：价格便宜，易于加工制造；优点：价格便
26、宜，易于加工制造；优点：价格便宜，易于加工制造；缺点：形状记忆效应和强度较低；缺点：形状记忆效应和强度较低；缺点：形状记忆效应和强度较低；缺点：形状记忆效应和强度较低；稳定性及耐疲劳性能差；稳定性及耐疲劳性能差；稳定性及耐疲劳性能差；稳定性及耐疲劳性能差；不具有生物相容性。不具有生物相容性。不具有生物相容性。不具有生物相容性。第33页/共60页TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对合金性能对比比合金类型合金类型TiNi合金合金CuZnAl合金合金恢复应变恢复应变最大最大8%最大最大4%恢复应力恢复应力最大最大400MPa最大最大200MPa循环寿命循环寿命105(=0.02)107(=0.
27、005)102(=0.02)103(=0.005)耐蚀性耐蚀性良好良好不良，有应力腐蚀破坏不良，有应力腐蚀破坏加工性加工性不良不良不太好不太好记忆处理记忆处理较易较易相当难相当难第34页/共60页（3 3）FeFe基记忆合金优优优优点点点点：强强强强度度度度高高高高、塑塑塑塑性性性性好好好好、易易易易加加加加工工工工、价格低廉、使用方便。价格低廉、使用方便。价格低廉、使用方便。价格低廉、使用方便。最具价值和应用前景的系统：最具价值和应用前景的系统：最具价值和应用前景的系统：最具价值和应用前景的系统：FeMnSiCrNiFeMnSiCrNi系系系系 FeNiCoTiFeNiCoTi系系系系第35
28、页/共60页形状记忆合金的制备形状记忆处理形形状状记记忆忆合合金金的的制制备备通通常常是是先先制制备备合合金金锭锭，之之后后进进行行热热轧轧、模模锻锻、挤压，然后进行冷加工。挤压，然后进行冷加工。为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状。为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状。形形状状记记忆忆处处理理(一一定定的的热热处处理理)是是实实现现合合金金形形状状记记忆忆功功能能方方面面不不可可或或缺缺，至关重要的一环。至关重要的一环。第36页/共60页TiNi合金单程形状记忆处理合金单程形状记忆处理单程记忆处理方法有三种单程记忆处理方法有三种中温处理中温处理低温处理低温处理时效处理
29、时效处理中中温温处处理理是是将将轧轧制制或或拉拉丝丝加加工工后后充充分分加加工工硬硬化化的的合合金金成成形形成成给给定定形形状状，在在400-500400-500温温度度下下保保温温儿儿分分钟到几小时，使之记住形状的方法。钟到几小时，使之记住形状的方法。此方法由于此方法由于工艺简单而被广泛采用工艺简单而被广泛采用。第37页/共60页低低温温处处理理是是在在高高于于800800的的温温度度下下保保温温后后进进行行完完全全退退火火，然然后后在在室室温温下下制制成成特特定定形形状状，在在200-300200-300的的低低温下保温一定时间温下保温一定时间，以记忆其形状的方法。，以记忆其形状的方法。由
30、由于于在在完完全全退退火火的的软软状状态态下下进进行行加加工工，有有利利于于合合金金记记住住复复杂形状或曲率很小的形状杂形状或曲率很小的形状。时时效效处处理理是是一一种种在在800-1000800-1000温温度度下下固固溶溶处处理理后后进进行行淬淬火火，然然后后在在400-500400-500的的温温度度下下进进行行几几小小时时时时效效处理的方法。处理的方法。只对只对NiNi含量高于含量高于50.5at50.5at的富的富NiNi合金有效。合金有效。第38页/共60页TiNi合金双程记忆处理合金双程记忆处理p合合金金具具有有双双程程记记忆忆效效应应是是因因为为合合金金中中存存在在方方向向性性
31、的的应应力力场场或或晶晶体体缺缺陷陷，相相变变时时马马氏氏体体容容易易在在这这种种缺缺陷陷处形核，同时发生处形核，同时发生择优生长择优生长。p通过通过记忆训练记忆训练(强制变形强制变形)获得双程记忆能力：获得双程记忆能力：先获得单程记忆效应先获得单程记忆效应，记忆高温相的形状；，记忆高温相的形状；随随后后在在低低于于MMs s温温度度，根根据据需需要要形形状状进进行行一一定定限限度度的的可可恢恢复变形复变形；加加热热到到A As s以以上上温温度度，试试样样恢恢复复到到高高温温态态形形状状后后，又又降降低低到到MMs s以下，再变形试件，使之成为低温所需形状以下，再变形试件，使之成为低温所需形
32、状；如此如此反复多次反复多次后，就可获得双向记忆效应。后，就可获得双向记忆效应。第39页/共60页TiNi合金全程记忆处理合金全程记忆处理全全程程记记忆忆效效应应的的出出现现是是由由于于与与基基体体共共格格的的TiTi1111NiNi1414析析出相产生的某种固定的内应力所导致，出相产生的某种固定的内应力所导致，应应力力场场控控制制了了马马氏氏体体可可逆逆相相变变的的路路径径，使使马马氏氏体体的的可可逆逆相变按固定路径进行相变按固定路径进行。全全程程记记忆忆处处理理的的关关键键是是限限制制性性时时效效，必必须须根根据据需需要要选择合适的约束时效工艺。选择合适的约束时效工艺。第40页/共60页形
33、状记忆合金使用中的问题形状记忆合金使用中的问题形形状状记记忆忆合合金金并并不不是是无无论论承承受受怎怎样样的的变变形形只只要要受受热热就就能能恢恢复复原原状状，有时可残留永久变形。有时可残留永久变形。为为保保持持良良好好形形状状记记忆忆特特性性，形形变变量不能超过一定值。量不能超过一定值。循循环环使使用用次次数数少少时时，TiNiTiNi合合金金约约为为6 6，CuZnAlCuZnAl合金约为合金约为2 2；循循环环使使用用次次数数多多时时，分分别别低低于于2 2和和0.50.5。TiNi形形状状记记忆忆合合金金的的应力应变曲线应力应变曲线第41页/共60页形形状状记记忆忆合合金金要要避避免免
34、过过热热，即即在在形形状状记记忆忆合合金金受受约约束状态下，不要达到比束状态下，不要达到比A Af f点高很多的温度。点高很多的温度。线线圈圈过过热热，相相变变引引起起的的形形状状恢恢复复应应力力超超过过丝丝材材本本身身的的屈屈服服应力，应力，合金的形状记忆特性变坏。合金的形状记忆特性变坏。合合金金长长时时间间置置于于高高温温，产产生生不不能能完完全全记记住住该该温温度度下下形形状状的的现象，即现象，即记忆力减退记忆力减退。当当TiNiTiNi合合金金和和CuZnAlCuZnAl合合金金长长时时间间分分别别置置于于250250和和9090以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。以上的温
35、度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。第42页/共60页 四、形状记忆合金的应用四、形状记忆合金的应用(Applications)第43页/共60页在结构振动控制方面的应用被被动动控控制制:利利利利用用用用形形形形状状状状记记记记忆忆忆忆合合合合金金金金的的的的超超弹弹性性效效应应和和高高阻阻尼尼特性特性耗能阻尼器。耗能阻尼器。耗能阻尼器。耗能阻尼器。应用应用:做成阻尼器用于桥梁和框架等结构的抗震。做成阻尼器用于桥梁和框架等结构的抗震。做成阻尼器用于桥梁和框架等结构的抗震。做成阻尼器用于桥梁和框架等结构的抗震。小震：小震：小震：小震：弹性特性与普通金属相似弹性特性与普通金属相似弹性特性与普通
36、金属相似弹性特性与普通金属相似;大震大震大震大震：超弹性大变形能力：超弹性大变形能力：超弹性大变形能力：超弹性大变形能力有效消耗地震能量，并可利用其有效消耗地震能量，并可利用其有效消耗地震能量，并可利用其有效消耗地震能量，并可利用其记忆效应使变形恢复。记忆效应使变形恢复。记忆效应使变形恢复。记忆效应使变形恢复。变形能力(弹性应变)形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金普通金属材料普通金属材料普通金属材料普通金属材料耗能能力比阻尼(材料振幅衰减比的平方材料振幅衰减比的平方材料振幅衰减比的平方材料振幅衰减比的平方)7 7 7 70.20.2404040406 6 6 6远大于远大于远大于
37、远大于第44页/共60页主动控制：在结构材料中加入在结构材料中加入在结构材料中加入在结构材料中加入SMASMA驱动元件，利驱动元件，利驱动元件，利驱动元件，利用用用用SMASMA的的的的形状记忆效应形状记忆效应所产生的所产生的所产生的所产生的回复回复力力，以及，以及，以及，以及SMASMA的弹性模量随温度变化的弹性模量随温度变化的弹性模量随温度变化的弹性模量随温度变化的特性，对结构的振动产生主动阻尼的特性，对结构的振动产生主动阻尼的特性，对结构的振动产生主动阻尼的特性，对结构的振动产生主动阻尼来减小振动，增加结构的等效刚度，来减小振动，增加结构的等效刚度，来减小振动，增加结构的等效刚度，来减小
38、振动，增加结构的等效刚度，控制结构的谐振频率，使结构避开共控制结构的谐振频率，使结构避开共控制结构的谐振频率，使结构避开共控制结构的谐振频率，使结构避开共振，对共振状态下的振动抑制效果明振，对共振状态下的振动抑制效果明振，对共振状态下的振动抑制效果明振，对共振状态下的振动抑制效果明显。显。显。显。主要对象：主要对象：一维构件如梁和杆等。一维构件如梁和杆等。一维构件如梁和杆等。一维构件如梁和杆等。对埋入对埋入对埋入对埋入SMA SMA 丝的悬臂梁：振动振幅下降丝的悬臂梁：振动振幅下降丝的悬臂梁：振动振幅下降丝的悬臂梁：振动振幅下降超过超过超过超过5050。适用振动频率范围：适用振动频率范围：低频
39、。低频。低频。低频。第45页/共60页在形状自适应结构中的应用飞飞机机机机翼翼：产产生生弯弯曲曲和和扭扭转转，改改变变形形状状和和迎迎角角，以以以以增增增增加加加加或或或或减减减减少少少少空空空空气气气气动动动动力力力力，达达达达到到到到自自自自动动动动调调调调节机翼空气动力特性的目的。节机翼空气动力特性的目的。节机翼空气动力特性的目的。节机翼空气动力特性的目的。直直升升机机智智能能转转子子系系统统：对对旋旋翼翼叶叶片片的的弯弯曲曲、扭扭转转、翼翼型型进进进进行行行行主主主主动动动动控控控控制制制制，改改改改进进进进整整整整个个个个旋旋旋旋翼翼翼翼的的的的空气动力性能和结构动力性能；空气动力性
40、能和结构动力性能；空气动力性能和结构动力性能；空气动力性能和结构动力性能；水水下下的的潜潜艇艇、鱼鱼雷雷：自自自自动动动动选选选选取取取取最最最最佳佳佳佳的的的的表表表表面面面面形形形形状状状状，大大减少前进中的阻力，提高航速；大大减少前进中的阻力，提高航速；大大减少前进中的阻力，提高航速；大大减少前进中的阻力，提高航速；智能蒙皮智能蒙皮：第46页/共60页工业应用工业应用 -宇航天线宇航天线NiTiNiTi形状记忆合金折叠发射形状记忆合金折叠发射自动张开的宇航天线原理图自动张开的宇航天线原理图第47页/共60页宇航天线可由宇航天线可由NiTiNiTi合金丝制成。合金丝制成。将将TiNiTiN
41、i合金天线冷至低温，使其转变为马氏体；合金天线冷至低温，使其转变为马氏体；将将TiNiTiNi合金板或棒合金板或棒变形加工变形加工成竹笋状或旋涡状发条，收缩成竹笋状或旋涡状发条，收缩后安装在卫星内；后安装在卫星内；卫星进入轨道后，团状天线弹出，在卫星进入轨道后，团状天线弹出，在太阳照射太阳照射下，温度升下，温度升高到高到A As s以上，团状天线自动张开，恢复到原来形状；以上，团状天线自动张开，恢复到原来形状；温度升高到温度升高到A Af f温度以上温度以上时，时，完全恢复到原来的形状完全恢复到原来的形状，天线，天线向宇宙空间撑开。向宇宙空间撑开。美国宇航局根据达一想法研制了安放在月球表面上的
42、美国宇航局根据达一想法研制了安放在月球表面上的抛物面天线组件抛物面天线组件。第48页/共60页连接件和紧固件连接件和紧固件形形状状记记忆忆合合金金管管接接头头用用相相变变点点约约-150150的的TiNiFeTiNiFe合金制备。合金制备。合合金金内内径径加加工工成成比比被被接接管管径径约约小小4-54-5，把把管管接接头头浸浸泡泡在在液液态态空空气气中中，在在低低温状态下使内径扩大温状态下使内径扩大约约7-8%7-8%，扩扩径径后后管管接接头头用用保保温温材材料料保保持持低低温温，被接管从管接头两侧插入，被接管从管接头两侧插入，去去掉掉保保温温材材料料，管管接接头头温温度度上上升升到到室室温
43、温，内内径径恢恢复复到到扩扩径径前前状状态态，牢牢牢箍紧被接管牢箍紧被接管。形状记忆管接头形状记忆管接头第49页/共60页形形状状记记忆忆合合金金管管接接头头具具有有高高度度的的可可靠靠性性，不不需需熔熔焊焊的的高高温温高高热热，不不会会损损害害周周围围材材料料，在在低低温温下下易易拆拆卸卸，便于检修检查。便于检修检查。这这种种管管接接头头在在F-14F-14战战斗斗机机上上使使用用了了1010万万个个以以上上，从从未未出出现过漏油等事故。现过漏油等事故。这类管接头在核潜艇的管路连接上也可大量应用。这类管接头在核潜艇的管路连接上也可大量应用。150mm150mm大大口口径径管管接接头头在在海海
44、底底输输油油管管道道及及其其修修补补工工程程上上得得到应用。到应用。F14战斗机战斗机战略核潜艇战略核潜艇第50页/共60页密密闭闭中中空空结结构构件件中中很很难难进进行行紧紧固固操操作作，形形状状记记忆忆紧紧固固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。A Af f点点低低于于室室温温的的合合金金用用来来制制造造紧紧固固铆铆钉钉，尾尾部部形形状状记记忆忆处处理理成开口形状；成开口形状；进进行行紧紧固固操操作作前前，把把紧紧固固铆铆钉钉浸浸泡泡在在干干冰冰或或液液态态空空气气中中进进行行充分冷却，充分冷却，然后把尾部拉直然后把尾部拉直；插入被紧固孔；插入被紧固孔；温度回升
45、后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。温度回升后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。(a)开口开口(b)拉直拉直(c)插入插入(d)加热加热形状记忆紧固螺钉形状记忆紧固螺钉第51页/共60页智能机器人智能机器人形形状状记记忆忆合合金金可可制制成成驱驱动动器器、控控制制器等应用在智能机器人中。器等应用在智能机器人中。形形状状记记忆忆驱驱动动器器通通过过适适当当加加热热和和控控制制，可可完完成成往往返返或或旋旋转转运运动动，兼兼之之具有具有感温功能感温功能。形形状状记记忆忆控控制制机机构构同同传传统统伺伺服服控控制制机机构构相相比比，一一个个形形状状记记忆忆元元件件就就可可起起到到传传统统机机
46、构构中中传传感感、驱驱动动和和传传递递三系统功能的作用。三系统功能的作用。智能控制器智能控制器第52页/共60页下下图图为为具具有有相相当当于于肩肩、肘肘、腕腕、指指等等的的5 5维维自自由由度度的的微微型机器人试制品，形状记忆合金可应用于其中。型机器人试制品，形状记忆合金可应用于其中。靠形状记忆合金动作的微靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图型机器人结构图第53页/共60页医学应用1.人工心脏用人造肌肉：人工心脏用人造肌肉：可以用形状记忆合金制造人工心脏用人造肌肉，用以可以用形状记忆合金制造人工心脏用人造肌肉，用以充当人造心脏的驱动源。充当人造心脏的驱动源。2.血栓过滤器：血栓过滤器：美国美
47、国用用TiNiTiNi合金丝试制了用来阻止游动于静脉中的凝血块的合金丝试制了用来阻止游动于静脉中的凝血块的过滤器过滤器。3.冠状动冠状动脉内脉内支架、支架、食管、胃肠支架食管、胃肠支架4.牙齿矫形丝、牙齿矫形丝、形形脊柱脊柱人造人造关节、关节、脊柱侧弯脊柱侧弯矫形矫形用哈伦顿棒等用哈伦顿棒等第54页/共60页日常生活日常生活空空调调排排气气口口上上装装有有百百叶叶板板，风风向向在在制冷时向上、取暖时向下。制冷时向上、取暖时向下。利利用用形形状状记记忆忆元元件件传传感感和和驱驱动动特特性性制制造造上上下下自自动动转转换换的的百百叶叶板板。安安装装在在排排气气口口的的形形状状记记忆忆线线圈圈随随排
48、排气气温温度度变变化化进进行行收收缩缩或或张张开开，和和另另一一侧侧偏偏动动弹弹簧簧一一起起完完成成双双程程动动作作，自自动动控制百叶板运动。控制百叶板运动。经经10万万次次以以上上的的动动作作后后证证实实，形形状状记忆特性没有任何下降。记忆特性没有任何下降。空调百叶板空调百叶板空调百叶板空调百叶板第55页/共60页56 记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢
49、复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过水温度过高时通过“记忆记忆”功能，调节或关闭供水管道，功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。下图是日本避免烫伤。下图是日本 TOTOTOTO公司生产的智能水温调公司生产的智能水温调节器。节器。智能水温调节器 智能控制元件第56页/共60页形形状状记记忆忆合合金金在在自自动动收收进进烟烟头头的的烟烟灰灰缸缸、为为调调整整头头发发受受力力通通过过加加热热温温度度改改变变卷卷发发管管径径的的卷卷发发轴轴环环、眼眼镜镜、儿童玩具等上也有不少应用。儿童玩具等上也有不少应用。智能烟灰缸智能烟灰缸智能卷发器智能卷发器牙 刷 第57页/共60页形状记忆合金眼镜架 第58页/共60页第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页