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1、1第五讲 形状记忆合金 Shape Memory Alloy第1页/共92页2主要内容主要内容形状记忆合金的发展形状记忆合金的发展形状记忆合金的原理形状记忆合金的原理形状记忆合金的分类形状记忆合金的分类形状记忆合金的制备形状记忆合金的制备形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用第2页/共92页3金属具有记忆能力金属具有记忆能力人人们们把把具具有有“记记忆忆能能力力”的的合合金金(Shape Memeory AlloySMA)做做成成花花、鸟鸟、鱼鱼、虫虫等等各各种种造造型型，只只要要浸浸入入一一定定温温度度的的水水中中，可可以以出出现现花花开开放放，鸟鸟展展翅翅，鱼鱼摆摆尾尾，虫虫蠕蠕动动等等现现
2、象象，栩栩栩栩如如生生，如如魔魔术般使人惊叹。术般使人惊叹。用CuZnAl记忆合金片制备的金属花，以热水或热风为热源，开放温度为65-85，闭合温度为室温，花蕾直径80mm，展开直径200mm。第3页/共92页4人人们们对对形形状状记记忆忆效效应应的的物物理理本本质质及及其其影影响响因因素素已已有有较较为为清清晰晰的的认认识识，形形状状记记忆忆合合金金已已被被确确认认为为一一种种热热驱驱动动功功能能材材料料，人人们们利利用用其其形形状状记记忆忆效效应应，在在仪仪器器仪仪表表、自自动动控控制制、航航空空航航天天、医医疗疗器器具具、汽汽车车工工程程以及机器人以及机器人等领域中实现广泛应用。等领域中
3、实现广泛应用。形状记忆合金的应用第4页/共92页5形状记忆合金的发展形状记忆合金的发展 第5页/共92页6形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。德国金属学家德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温发现：钢在奥氏体高温区淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原区淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子子无扩散形式转变无扩散形式转变为体心立方结构，得到的组为体心立方结构，得到的组织以他的名字被命名为织以他的名字被命名为马氏体马氏体。板条马氏体钢的淬火第6页/共92页71938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现
4、了马氏体的合金中发现了马氏体的热弹性转变热弹性转变，他们的研，他们的研究在当时并没有受到世界的重视；究在当时并没有受到世界的重视；1951年，美国的里德等人在年，美国的里德等人在Au-Cd合金的研究合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应；中首次发现该合金具有形状记忆效应；随后，在随后，在InTi合金中也发现了形状记忆效应。合金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。寻找成本低廉的形状记忆合金。第7页/共92页8低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。1962年年，
5、美美国国海海军军军军械械研研究究所所将将NiTi合合金金作作为为对对温温度度敏敏感感的的振振动动衰衰减减合合金金加加以以研研究究，在在讨讨论论该该项项研研究究经经费费分分配配时时，某某一一成成员员用用手手将将这这种种材材料料制制成成的的细细丝丝一一端端弯弯曲曲，无无意意中中靠靠近近手手中中点点燃燃的的雪雪茄茄，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。1963年年，军军械械研研究究所所宣宣布布在在NiTi合合金金丝丝中中发发现现了形状记忆效应。了形状记忆效应。NiTi合合金金具具有有强强度度高高、塑塑性性大大、耐耐腐腐蚀蚀性性好好、成成本本相相对对低低廉廉等等许许多多特
6、特点点而而引引起起极极大大关关注注，人人们们开开始考虑形状记忆合金的广泛应用。始考虑形状记忆合金的广泛应用。第8页/共92页91970年年，人人们们又又在在成成本本更更为为低低廉廉的的CuAlNi合合金金中中也也发发现现形形状状记记忆忆现现象象，并并明明确确这这种种现现象象是是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。以以此此为为转转折折点点，迄迄今今人人们们己己在在许许多多合合金金中中相相继继发现这种现象，如表所示。发现这种现象，如表所示。现现在在，人人们们发发现现一一些些有有机机高高分分子子材材料料、无无机机陶陶瓷等瓷等都具有形状记忆的功能。都具有形
7、状记忆的功能。第9页/共92页10形状记忆合金的成分范围和形状记忆合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度马氏体相变开始温度)点点合金合金成分成分Ms点点/合金合金成分成分Ms点点/AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuCd46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au 45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-12
8、0/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/180第10页/共92页11形状记忆合金的原理形状记忆合金的原理第11页/共92页12Fe在在910以下为体心立方晶格结构的以下为体心立方晶格结构的-Fe，910以上为面心立方晶格结构的以上为面心立方晶格结构的-Fe。碳溶解到碳溶解到-Fe中形成的固溶体为中形成的固溶体为铁素体铁素体(F)；碳；碳溶解到溶解到-Fe中形成的固溶体为中形成的固溶体为奥氏体奥氏体(A)；如果；如果奥氏体奥氏体以较大的冷却速度过冷以较大的冷却速度过冷，奥氏体中的碳原，奥氏体中的碳原子没有扩散的可
9、能，奥氏体将直接转变成一种含子没有扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体，称为碳过饱和的固溶体，称为马氏体马氏体(M)。由于含碳量过饱和，马氏体的强度和硬度高、塑由于含碳量过饱和，马氏体的强度和硬度高、塑性低，脆性大。性低，脆性大。奥氏体和马氏体第12页/共92页13形形状状记记忆忆效效应应：具具有有一一定定形形状状的的固固体体材材料料(通通常常是是具具有有热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变的的材材料料)，在在某某一一温温度度下下(处处于于马马氏氏体体状状态态Mf)进进行行一一定定限限度度的的塑塑性性变变形形后后，通通过过加加热热到到某某一一温温度度(通通常常是是该该材材料料马马氏
10、氏体体完完全全消消失失温温度度Af)上上时时，材材料料恢恢复复到到变变形形前前的的初初始形状始形状。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。第13页/共92页14形状记忆效应实验形状记忆效应实验原始形状拉直加热后恢复变形前形状第14页/共92页15热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变面面心心立立方方的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内的的原原子子经经无无扩扩散散位位移移，产产生生形形状状改改变变和和表表面面浮浮凸凸，这这种种呈呈现现不不变变平平面面特特征征的的一一级级相相变变、形形核核长长大大型型相相变变称称为为马马氏氏体体相相变变，相相变变后后形形成成体体心心立立方
11、方的马氏体。的马氏体。把把马马氏氏体体相相变变开开始始和和相相变变结结束束的的温温度度表表示示为为Ms和和Mf，把把马马氏氏体体逆逆相相变变(转转变变成成奥奥氏氏体体)的温度表示为的温度表示为As和和Af。钢的马氏体转变第15页/共92页16为为使使A(母母相相)-M(马马氏氏体体相相)相相变变产产生生，M相相的的化化学学自由能必须低于自由能必须低于A相相。相相变变需需要要驱驱动动力力，不不过过冷冷到到适适当当低低于于T0(A相相和和M相化学自由能达到平衡相化学自由能达到平衡)的温度，相变不能进行，的温度，相变不能进行，逆逆相相变变也也需需驱驱动动力力，必必须须过过热热到到适适当当高高于于T0
12、的的温温度，相变才能进行。度，相变才能进行。马氏体相和母相化学自由能差随温度变化与马氏体相变的关系第16页/共92页17低低于于Ms温温度度下下，马马氏氏体体形形成成以以后后，界界面面上上的的弹弹性性变形随着马氏体的长大而增加；变形随着马氏体的长大而增加；当当表表面面能能、弹弹性性变变形形能能及及共共格格界界面面能能等等能能量量消消耗耗的的增增加加与与相相变变化化学学自自由由能能的的减减少少相相等等时时，马马氏氏体体和母相间达到和母相间达到热弹性平衡状态热弹性平衡状态，马氏体停止长大。，马氏体停止长大。CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大)第17页/共92页18温温度度继继续
13、续下下降降，马马氏氏体体相相变变驱驱动动力力增增加加，马马氏氏体体又继续长大，也可能出现新的马氏体生长。又继续长大，也可能出现新的马氏体生长。温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩。温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩。热热效效应应和和弹弹性性效效应应之之间间的的平平衡衡态态是是热热弹弹性性的的由由来来，具具有有这这种种行行为为的的马马氏氏体体为为热热弹弹性性马马氏氏体体，相相变变为为热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变。CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)第18页/共92页19形状记忆效应原理形状记忆效应原理形形状状记记忆忆合合金金在在一一定定范范围围内内发发生生塑塑性
14、性变变形形后后，经经加加热热到到某某一一温温度度后后能能够够恢恢复复变变形形，实质是热弹性马氏体相变实质是热弹性马氏体相变。马马氏氏体体在在外外力力下下变变形形成成某某一一特特定定形形状状，加加热热时时已已发发生生形形变变的的马马氏氏体体会会回回到到原原来来奥奥氏氏体体状状态态，这这就就是是宏宏观观形形状状记记忆现象，如右图所示。忆现象，如右图所示。形状记忆效应过程的示意图第19页/共92页20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
15、切切变变为为孪孪生生，亚亚结结构构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20页/共92页21出现出现热弹马氏体相变热弹马氏体相变的条件：的条件：母相与马氏体的比容差小；母相与马氏体的比容差小；母相的弹性极限高；母相的弹性极限高；母相原子排列规律性强；母相原子排列规律性强；热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变确确保保不不破破坏坏母母相相与与新新相相之之间间的的共格联系，新相在加热条件下容易向母相转变。共格联系，新相在加热条件下容易向母相转变。第21页/共92页22有序点阵结构有序点阵结构相相变变时时母母相相的的晶晶体体位位向向自自动动得得到到保保存存，
16、两两相相间间的的点点阵阵对对应应关关系系单单一一，相相变变时时点阵应变非常小，点阵应变非常小，逆相变时必然选取原位向的母相；逆相变时必然选取原位向的母相；有有序序化化材材料料具具有有较较高高的的弹弹性性极极限限，热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变产产生生的的小小尺尺度度畸畸变变不不会会超超过过材材料料的的弹弹性性极极限限，逆逆相相变变中中母母相相和和马马氏氏体体相相的的界界面面保保持持弹弹性性共共格格，为为逆逆相变时重新构成原母相的结构提供有利条件相变时重新构成原母相的结构提供有利条件。第22页/共92页23马氏体内的马氏体内的亚结构是孪晶或层错亚结构是孪晶或层错外外力力作作用用下下，通通过过孪
17、孪晶晶移移动动，某某一一取取向向的的马马氏氏体体长长大大，其其它它不不利利取取向向的的马马氏氏体体缩缩小小(择择优优取取向向马马氏氏体体)，保保证证马氏体变形时不会出现太多母相的等效晶体位向马氏体变形时不会出现太多母相的等效晶体位向。逆逆相相变变时时，马马氏氏体体中中只只形形成成几几个个甚甚至至一一个个母母相相的的等等效效晶晶体体位位向向，只只有有特特定定取取向向的的母母相相晶晶核核才才能能不不断断长长大大，马氏体恢复成原母相晶体，宏观变形也得到恢复。马氏体恢复成原母相晶体，宏观变形也得到恢复。晶体学上相变可逆性晶体学上相变可逆性通过逆相变，不仅在通过逆相变，不仅在晶体结构晶体结构上，而且在上
18、，而且在晶体位向晶体位向上上都恢复到相变前的母相状态。都恢复到相变前的母相状态。晶体学上的相变可逆性晶体学上的相变可逆性保证逆相变后形成有序性很高保证逆相变后形成有序性很高的原母相晶体，宏观变形也完全恢复。的原母相晶体，宏观变形也完全恢复。第23页/共92页24随随着着形形状状记记忆忆材材料料研研究究的的不不断断深深入入，发发现现不不完完全全具具备备上上述述条条件件的的合合金金也也可可以以显显示示形形状状记记忆忆效效应应。温温度度场场可可以以诱诱导导形形状状记记忆忆效效应应，磁磁场场、应应力力场场等也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。等也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。传统热诱导形状记忆
19、合金磁诱导形状记忆合金Magnetic field第24页/共92页25传统形状记忆合金具有较大的可逆恢复应变和大的传统形状记忆合金具有较大的可逆恢复应变和大的恢复力，但恢复力，但必须通过改变合金的温度来获得应变必须通过改变合金的温度来获得应变，响应速度慢，响应频率低响应速度慢，响应频率低(约为约为1Hz左右左右)。磁性形状记忆合金的优势就在于它兼具铁磁性和热磁性形状记忆合金的优势就在于它兼具铁磁性和热弹性马氏体相变，并且结合了弹性马氏体相变，并且结合了形状记忆合金应变大形状记忆合金应变大和和磁致伸缩材料响应快磁致伸缩材料响应快的优点。的优点。第25页/共92页26利用磁场对合金中的马氏体变体
20、施加静磁力，利用磁场对合金中的马氏体变体施加静磁力，促促使有利取向的马氏体变体长大，吞并不利取向的使有利取向的马氏体变体长大，吞并不利取向的变体变体(表现为孪晶界的移动表现为孪晶界的移动)，从而产生宏观变形；，从而产生宏观变形；磁场强度减小或撤去时，孪晶界又回到初始位置。磁场强度减小或撤去时，孪晶界又回到初始位置。磁致形状记忆效应只存在磁致形状记忆效应只存在具有热弹性马氏体相变具有热弹性马氏体相变的磁性合金中的磁性合金中，典型磁致形状记忆合金有，典型磁致形状记忆合金有NiMnGa、NiFeGa、Fe基和基和Co基合金等。基合金等。目前，已在目前，已在Ni48.8Mn29.7Ga21.5单晶单晶
21、中得到约中得到约10%的可的可恢复磁感生应变恢复磁感生应变。第26页/共92页27相变伪弹性和超弹性相变伪弹性和超弹性外外加加应应力力也也可可引引起起马马氏氏体体消消长长，这这样样形形成成的的马马氏氏体叫体叫应力诱发马氏体应力诱发马氏体(SIM)。Af温度以上的马氏体只在应力下稳定。温度以上的马氏体只在应力下稳定。随应力增加或减小，马氏体也相应长大或缩小；随应力增加或减小，马氏体也相应长大或缩小；应应力力除除去去后后，应应力力诱诱发发马马氏氏体体当当即即逆逆转转变变为为稳稳定定母母相，相变引起的变形消失。相，相变引起的变形消失。这这种种不不通通过过加加热热即即恢恢复复到到原原先先形形状状的的相
22、相变变，看看起起来来像像弹弹性性变变形形，但但其其应应力力应应变变曲曲线线是是非非线线性性的的，称为称为相变伪弹性相变伪弹性，应变完全恢复时称为，应变完全恢复时称为超弹性超弹性。第27页/共92页28伪伪弹弹性性仅仅与与应应力力诱诱发发相相变变和和热弹性相变有关。热弹性相变有关。AB段：段：奥氏体奥氏体相的弹性变形；相的弹性变形；BC段段：B点点为为应应力力诱诱发发马马氏氏体体的的最最小小应应力力，C点点相相变变结结束束；奥奥氏氏体体向向马马氏氏体体的的转转变变使使应应变变增增加加，其其斜斜率率远远小小于于AB段段，说明相变容易进行，说明相变容易进行，CD段段：相相变变结结束束后后，应应力力作
23、作用下用下马氏体马氏体发生弹性变形。发生弹性变形。伪弹性应力应变示意图第28页/共92页29在在D点点之之前前应应力力被被取取消消，例例如如在在点点C，应应变变通通过几步可恢复：过几步可恢复：CF段：段：马氏体马氏体的弹性恢复；的弹性恢复；FG段段：马马氏氏体体向向奥奥氏氏体体转转变变后后引引起起的的应应变变恢恢复复，F点点是是卸卸载载中中马马氏氏体体能能存存在在的的最最大大应应力力，在在该该点点开开始始发发生生马马氏氏体体向向奥奥氏氏体体的的逆逆相相变变，随随后后马马氏氏体体量量不不断断减少直到奥氏体完全恢复减少直到奥氏体完全恢复(G点点)，GH段：段：奥氏体奥氏体的弹性恢复。的弹性恢复。第
24、29页/共92页30就形状记忆而言，试样在就形状记忆而言，试样在As点下受到的应变一且点下受到的应变一且加热到加热到Af点以上点以上即可消失；就相变伪弹性而言，即可消失；就相变伪弹性而言，试样在试样在Af点以上受到的应变一旦点以上受到的应变一旦卸载卸载即可消失。即可消失。两种形状恢复的起因都是逆相变，本质上两者是两种形状恢复的起因都是逆相变，本质上两者是同一现象，只不过同一现象，只不过诱发逆相变的方法不同诱发逆相变的方法不同：在在Ms以下温度对合金进行变形，只产生形状记忆；以下温度对合金进行变形，只产生形状记忆；在在Af以上温度对合金施加应力，只出现伪弹性。以上温度对合金施加应力，只出现伪弹性
25、。形状记忆效应与伪弹性产生条件示意图第30页/共92页31形状记忆合金的分类形状记忆合金的分类第31页/共92页32合金成分合金成分呈呈现现形形状状记记忆忆效效应应的的合合金金，其其基基本本合合金金系系就就有有10种种以以上上，如如果果把把相相互互组组合合的的合合金金或或者者添添加加适适当元素的合金都算在内，则有当元素的合金都算在内，则有100种以上种以上。得得到到实实际际应应用用的的只只有有Ti基基合合金金、Cu基基合合金金以以及及Fe基合金基合金。其其余余合合金金则则因因为为有有些些化化学学成成分分不不是是常常用用元元素素而而导导致致价价格格昂昂贵贵，或或者者有有些些只只能能在在单单晶晶状
26、状态态下下使使用，不适于工业生产。用，不适于工业生产。第32页/共92页33TiNi合合金金是是目目前前形形状状记记忆忆合合金金中中研研究究最最全全面面、记记忆性能最好的合金材料。忆性能最好的合金材料。TiNi合合金金强强度度高高、塑塑性性大大、耐耐蚀蚀性性好好、稳稳定定性性好好，具具有优异的生物相容性有优异的生物相容性，在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的形状记忆合金的形状记忆合金的经济性经济性是一个重要因素。是一个重要因素。Cu基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比TiNi合金差，合金差，但价格仅
27、为但价格仅为TiNi合金的合金的l/10，在性能要在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要降低成本的情况求不高、反复使用次数少，特别是要降低成本的情况下下使用；使用；Fe基合金基合金价格低，加工性能好，力学强度高，价格低，加工性能好，力学强度高，在应用在应用方面具有明显的竞争优势，但其方面具有明显的竞争优势，但其形状记忆效应不是很形状记忆效应不是很好好。第33页/共92页34TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对比合金性能对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1
28、05(=0.02)107(=0.005)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92页35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以分为三类：可以分为三类：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(a)单程(b)双程(c)全程冷却冷却第35页/共92页36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
29、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
30、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。反的高温相的现象。第36页/共92页37（a）马氏体状态下未变形（b）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，形状完全恢复单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况第37页/共92页38没放入热水前放入热水后冷却至室温后再次放入热水后双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况第38页/共92页39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)呈呈现现具有凸透镜曲率
31、的近圆形，如具有凸透镜曲率的近圆形，如a所示；所示；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；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（100-室温）第39页/共92页40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；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相反的形
32、状其相反的形状；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)中中时时，立立刻刻变变化化成成f形形状状，其其形形状状与与a完完全全相相同。同。TiNi合金的全程记忆效应（低温-100）第40页/共92页41形状记忆合金的制备形状记忆合金的制备第41页/共92页42形状记忆处理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，之之后后进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。为为把把形形状状记记忆忆合合金金用用做做元元件件，有有必必要要使使它它记记住住给给定形状。定形状。形形状状
33、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功能方面不可或缺，至关重要的一环。忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。第42页/共92页43TiNi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400-500温温度度下下保保温温儿分钟到几小时，使之记住形状的方法。儿分钟到几小时，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
34、用。第43页/共92页44低低温温处处理理是是在在高高于于800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200-300的的低低温温下下保保温温一一定定时时间间，以以记记忆忆其其形形状状的的方法。方法。由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复杂形状或曲率很小的形状住复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800-1000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400-500的的温温度度下下进进行行几几小小时时效处理的方法。时时效处理的方
35、法。只对只对Ni含量高于含量高于50.5at的富的富Ni合金有效。合金有效。第44页/共92页45TiNi合金双程记忆处理合金双程记忆处理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缺陷处形核，同时发生种缺陷处形核，同时发生择优生长择优生长。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Ms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
36、的的可恢复变形可恢复变形；加加热热到到As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Ms以以下下，再再变变形形试试件件，使使之之成成为为低低温温所所需需形形状状；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45页/共92页46TiNi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Ti11Ni14析出相产生的某种固定的内应力所导致，析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
37、使马马氏氏体体的的可逆相变按固定路径进行可逆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选择合适的约束时效工艺。要选择合适的约束时效工艺。第46页/共92页47形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状原状，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，形形变量不能超过一定值。变量不能超过一定值。循循环环使使用用次次数数少少时时，TiNi合合金金约为约为6，CuZnAl合金约为合金
38、约为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和和0.5。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47页/共92页48形形状状记记忆忆合合金金要要避避免免过过热热，即即在在形形状状记记忆忆合合金金受受约束状态下，不要达到比约束状态下，不要达到比Af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服应力，屈服应力，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的现象，即状的现象，即记忆力减退记
39、忆力减退。当当TiNi合合金金和和CuZnAl合合金金长长时时间间分分别别置置于于250和和90以以上上的的温温度度时时，不不管管载载荷荷大大小小如如何何，都都出出现现不不良良影响。影响。第48页/共92页49形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 第49页/共92页50工业应用工业应用 宇航天线NiTI形状记忆合金折叠发射自动张开的宇航天线原理图第50页/共92页51宇航天线可由宇航天线可由NiTi合金丝制成。合金丝制成。将将TiNi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TiNi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，成竹笋状或旋涡状发条
40、，收缩后安装在卫星内；收缩后安装在卫星内；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，温下，温度升高到度升高到As以上，团状天线自动张开，恢复到原来形以上，团状天线自动张开，恢复到原来形状；状；温度升高到温度升高到Af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，天线向宇宙空间撑开。天线向宇宙空间撑开。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上的抛物面天线组件。第51页/共92页52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-150
41、的的TiNiFe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4-5，把把管管接接头头浸浸泡泡在在液液态态空空气气中中，在在低低温温状状态态下下使使内内径径扩扩大大约约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，被接管从管接头两侧插入，温，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温，内内径径恢恢复复到到扩扩径径前前状状态态，牢牢箍紧被接管牢牢箍紧被接管。形状记忆管接头第52页/共92页53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
42、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卸，便于检修检查。拆卸，便于检修检查。这这种种管管接接头头在在F-14战战斗斗机机上上使使用用了了10万万个个以以上上，从从未出现过漏油等事故。未出现过漏油等事故。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。150mm大大口口径径管管接接头头在在海海底底输输油油管管道道及及其其修修补补工工程程上得到应用。上得到应用。F14战斗机战略核潜艇第53页/共92页54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铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。固铆钉依靠形状
43、恢复可进行这种操作。Af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理成开口形状；处理成开口形状；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行充分冷却，进行充分冷却，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(b)拉直(c)插入(d)加热形状记忆紧固螺钉第54页/共92页55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、控控制器等应用在智能机器人中。
44、制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，兼之具有兼之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构构中中传传感感、驱驱动动和传递和传递三系统功能的作用。三系统功能的作用。智能控制器第55页/共92页56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维维自自由由度度的微型机器人试制品，形状记忆合金可应用于其中。的微型机器人试制品，形状记忆合金可应用于其中。靠形状记忆合金动
45、作的微型机器人结构图第56页/共92页57手手指指和和手手腕腕是是靠靠TiNi合合金金线线圈圈的的伸伸缩缩，肘肘部部和和肩肩是是靠靠直直线线状状TiNi合合金金丝丝的的伸伸缩缩，分分别别实实现现开开闭闭和和屈曲动作。屈曲动作。每个元件通过每个元件通过控制电流控制电流来调节其位置和动作速度。来调节其位置和动作速度。这这种种机机器器人人结结构构小小巧巧，动动作作柔柔软软自自如如(可可实实现现抓抓举举盛盛水水纸纸杯杯之之类类的的柔柔软软物物体体)，这这是是因因为为通通过过元元件件控控制制量量(电电流流)控控制制的的不不是是位位置置，而而是是形形状状恢恢复复力力，作用接近人体肌肉。作用接近人体肌肉。第
46、57页/共92页58低低于于Mf点点温温度度下下，把把重重M的的重重物物挂挂在在形形状状记记忆忆线线圈圈上上，丝丝材材伸伸长长到到屈屈服力和重力达到平衡；服力和重力达到平衡；把把线线圈圈加加热热到到Af点点以以上上，温温度度上上升升使使合合金金产产生生形形状状恢恢复复，形形状状恢恢复复力力大大于于重重力力，丝丝材材在在弹弹性性应应变变的的状状态态下收缩下收缩L，提起重物做，提起重物做MgL的功；的功；重重物物提提上上去去后后降降低低温温度度，丝丝材材伸伸长长，接接上上重重物物，再再升升高高温温度度把把重重物物提提上上去，实现热机循环。去，实现热机循环。形状记忆热机原理能量转换热机能量转换热机第
47、58页/共92页59涡涡轮轮型型热热机机中中，TiNi合合金金线线圈圈通通过过空空转转轮轮在在温温水水槽槽、冷冷水水槽槽和和差差动动滑滑轮轮之之间间穿穿引引连连接接，形形成连续环路。成连续环路。温温水水侧侧线线圈圈产产生生缩缩短短收收缩缩，冷冷水水侧侧线线圈圈产产生生伸伸长长松松弛弛，使使差差动动滑滑轮轮受受到到很很大大的的转转矩矩，产产生生转转动动。两两者者对对滑滑轮轮的的转转矩矩差差成成为热机输出功率为热机输出功率.采采用用直直径径为为0.5mm的的TiNi合合金金线线圈圈，转转速速可可达达750r/min，输输出功率为出功率为0.4-0.5W。形状记忆合金制备的涡轮形热机第59页/共92
48、页60保险器和继电器保险器和继电器用用形形状状记记忆忆合合金金制制造造的的温温度度保保险险器器不不同同于于熔熔断断保保险险丝丝，可可产产生生很很强强的的力力拉拉断断接接点点，消消弧弧效效应应明显，适合于作大功率、高电压用保险器。明显，适合于作大功率、高电压用保险器。形状记忆合金温度保险器第60页/共92页61形形状状记记忆忆合合金金可可制制造造电电接接触触器器的接触棒。的接触棒。当当冷冷却却剂剂喷喷到到接接触触棒棒上上时时，作作开开关关的的记记忆忆合合金金与与电电路路触触点点无无接接触触；将将棒棒加加热热到到室室温温时时，合合金金棒棒因因形形状状记记忆忆改改变变形形状状，产产生与电路触点接触。
49、生与电路触点接触。这这种种接接触触器器可可通通过过控控制制温温度度使使其其自自动动断断路路或或通通路路，同同时时还还可可远远距距离离操操作作，广广泛泛用用于于接接触触器器很小或人员难以接近的场合很小或人员难以接近的场合。形状记忆电接触器第61页/共92页62医学应用医学应用金属埋植入人体内时必须考虑其生物相容性。金属埋植入人体内时必须考虑其生物相容性。如如果果埋埋植植体体对对人人体体组组织织是是一一种种活活性性物物质质，那那么么它它会会造造成成周周围围的的组组织织和和细细胞胞发发生生变变性性，出出现现炎炎症症充充血循环障碍，导致人体组织坏死；血循环障碍，导致人体组织坏死；如如果果埋埋植植体体是
50、是一一种种非非活活性性物物质质，那那么么由由纤纤维维细细胞胞分分泌泌的的骨骨胶胶原原纤纤维维在在它它周周围围形形成成纤纤维维组组织织，这这种种纤纤维维组组织织在在埋埋植植体体上上生生成成薄薄膜膜，使使它它在在人人体体组组织织中能够稳定存在。中能够稳定存在。TiNi合金的生物相容性第62页/共92页63覆膜形状覆膜形状覆膜厚度和形状随埋植时间不同出现一定差异。覆膜厚度和形状随埋植时间不同出现一定差异。埋植埋植12月后，覆膜厚度十分不均匀，许多地方形成滑液囊；月后，覆膜厚度十分不均匀，许多地方形成滑液囊；埋埋植植17月月后后，覆覆膜膜变变成成薄薄而而光光滑滑致致密密的的纤纤维维结结缔缔组组织织，只