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1、第四章马氏体相变及形状记忆合金第一页，本课件共有61页内容内容马氏体相变马氏体相变共析转变共析转变形状记忆合金及其应用形状记忆合金及其应用第二页，本课件共有61页固态相变的分类固态相变的分类固固态态相相变变按热力学：一级、二级相变按热力学：一级、二级相变按平衡状态按平衡状态按原子迁移：扩散、非扩散型相变按原子迁移：扩散、非扩散型相变按相变方式：有核、无核相变按相变方式：有核、无核相变伪共析相变伪共析相变贝氏体相变贝氏体相变马氏体相变马氏体相变非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀同素异构转变同素异构转变平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀共析相变共析相变调幅分解调幅分解有序化转变有序化转变平衡相变平衡相变非平衡相变
2、非平衡相变第三页，本课件共有61页4.1 马氏体相变马氏体相变4.1.1 扩散与相变扩散与相变相变方式相变方式有核相变：通过形核有核相变：通过形核 长大方式进行，新相与母相有界面，长大方式进行，新相与母相有界面，如奥氏体如奥氏体珠光体的转变。珠光体的转变。无核相变：以固溶体中的成分起伏为开端，通过成分起伏无核相变：以固溶体中的成分起伏为开端，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，但是两者无明显的界面（如调形成高浓度区和低浓度区，但是两者无明显的界面（如调幅分解）。幅分解）。从原子迁移情况从原子迁移情况 扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子在
3、较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光原子在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的转变。体的转变。无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变，如马氏体相变。变，如马氏体相变。第四页，本课件共有61页 钢：含碳量小于钢：含碳量小于2并含有某些其他元素的铁碳并含有某些其他元素的铁碳合金合金。合金：指由两种或两种以上的金属或金属与非金属合金：指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组成合金的基本的独立的物质称为的物质。组成合金的基本的独立的物质称为
4、组元组元。组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。固态下所形成的合金相基本上可分为固态下所形成的合金相基本上可分为固溶体固溶体和和中间中间相相两大类两大类。固溶体：是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶人其固溶体：是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶人其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。分为它保持着溶剂的晶体结构类型。分为置换固溶体置换固溶体和和间间隙固溶体隙固溶体两种。两种。第五页，本课件共有61页 铁的两种晶体结构：铁的两种晶体结构：体心立方结构体心立
5、方结构（存在于两个温度范围内，（存在于两个温度范围内，912以上以上称称铁，铁，1394以上称以上称铁）；铁）；面心立方结构面心立方结构（存在于（存在于9121394之间，称之间，称铁）铁）碳在钢中的两种主要存在形式：碳在钢中的两种主要存在形式：溶入铁中与铁形成固溶体；溶入铁中与铁形成固溶体；另一是与铁形成铁碳化合物，称渗碳体（另一是与铁形成铁碳化合物，称渗碳体（Fe3C）。）。碳溶于碳溶于铁中形成的固溶体称铁中形成的固溶体称铁素体铁素体；溶于；溶于铁中形成铁中形成的固溶体称的固溶体称奥氏体奥氏体，其最大溶解度为，其最大溶解度为2.11。第六页，本课件共有61页共析碳钢共析碳钢C曲线图曲线图过
6、冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线曲线)珠光体转变珠光体转变贝氏体转变贝氏体转变马氏体转变马氏体转变第七页，本课件共有61页共析转变（珠光体转变）共析转变（珠光体转变）从固溶体母相中以相互协作的方式生长为结构、成分均从固溶体母相中以相互协作的方式生长为结构、成分均不同于母相的两个新固相。不同于母相的两个新固相。形成铁素体、渗碳体交替分布的片层状共析组织，形成铁素体、渗碳体交替分布的片层状共析组织，由于其经抛光、侵蚀后在光学显微镜下的形态而得由于其经抛光、侵蚀后在光学显微镜下的形态而得名名珠光体珠光体。第八页，本课件共有61页片状珠光体的片层间距和珠光体团示意图片状珠光体的片层间
7、距和珠光体团示意图第九页，本课件共有61页珠光体转变示意图珠光体转变示意图第十页，本课件共有61页马氏体转变的发展过程马氏体转变的发展过程 早早在在战战国国时时代代人人们们已已经经知知道道可可以以用用淬淬火火(即即将将钢钢加加热热到到高高温温后后淬淬入入水水或或油油中中急急冷冷)的的方方法法可可以以提提高高钢钢的硬度，经过淬火的钢制宝剑可以的硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥削铁如泥”。十十九九世世纪纪未未期期，人人们们才才知知道道钢钢在在“加加热热和和冷冷却却”过过程程中中内内部部相相组组成成发发生生了了变变化化，从从而而引引起起了了钢钢的的性性能能的的变变化化。为为了了纪纪念念在在这这
8、一一发发展展过过程程中中做做出出杰杰出出贡贡献献的的德德国国冶冶金金学学家家Adolph Martens，法法国国著著名名的的冶冶金金学学家家Osmond建建议议将将钢钢经经淬淬火火所所得得高高硬硬度度相相称称为为“马马氏氏体体”，并因此将得到马氏体相的转变过程称为并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变马氏体转变。Martensite M马氏体马氏体第十一页，本课件共有61页 十十九九世世纪纪未未到到二二十十世世纪纪初初主主要要局局限限于于研研究究钢钢中中的的马马氏氏体体转转变及转变所得产物变及转变所得产物马氏体马氏体。二二十十世世纪纪三三十十年年代代，人人们们用用X射射线线结结构构分分
9、析析的的方方法法测测得得钢钢中中马马氏氏体体是是碳碳溶溶于于-Fe而而形形成成的的过过饱饱和和固固溶溶体体，马马氏氏体体中中的的固固溶溶碳碳即即原原奥奥氏氏体体中中的的固固溶溶碳碳，因因此此，曾曾一一度度认认为为“所所谓谓马马氏体即碳在氏体即碳在-Fe中的过饱和固溶中的过饱和固溶”。曾曾经经有有人人认认为为“马马氏氏体体转转变变与与其其它它转转变变不不同同，是是一一个个由由快快冷造成的内应力场所引起的切变过程冷造成的内应力场所引起的切变过程”。四四十十年年代代前前后后，在在Fe-Ni、Fe-Mn合合金金以以及及许许多多有有色色金金属属及及合合金金中中也也发发现现了了马马氏氏体体转转变变。不不仅
10、仅观观察察到到冷冷却却过过程程中中发发生生的的马马氏氏体体转转变变；同同时时也也观观察察到到了了在在加加热热过过程程中中所所发发生生的的马马氏氏体体转转变变。由由于于这这一一新新的的发发现现，人人们们不不得得不不把把马马氏氏体体的的定定义义修修定定为为：“在在冷冷却却过过程程中中所所发发生生马马氏氏体体转转变变所所得得产产物物统统称称为为马马氏氏体体”。把把以以晶晶格格畸畸变变为为主主的的位位移移型型无无扩扩散散相相变变统统称称为为马马氏氏体体相相变。变。第十二页，本课件共有61页马氏体转变的主要特性马氏体转变的主要特性（一）马氏体转变的非恒温性（一）马氏体转变的非恒温性 马马氏氏体体转转变变
11、有有一一上上限限温温度度，这这一一温温度度称称为为马马氏氏体体转转变变的的开开始始温温度度，也也称称为为马马氏氏体体点点，Ms表表示示。不不同同的材料的材料Ms是不同的。是不同的。马马氏氏体体转转变变还还有有一一个个下下限限温温度度，用用Mf，当当奥奥氏氏体体过过冷冷到到Mf以以下下时时转转变变也也不不能能再再进进行行了了。称称为为马马氏氏体体转转变变的的下下限限温温度度或或马马氏氏体体终终了了点点。也也就就是是说说马马氏氏体体转转变变是在是在MsMf之间进行的。之间进行的。一一般般钢钢材材的的Mf都都低低于于室室温温，在在生生产产中中为为了了获获得得更更多多的的马马氏氏体体，常常采采用用深深
12、冷冷到到室室温温以以下下的的处处理理工工艺艺，这这种工艺方法称为种工艺方法称为冷处理冷处理。第十三页，本课件共有61页（二）马氏体转变的切变共格和表面浮凸现象（二）马氏体转变的切变共格和表面浮凸现象 马氏体转变时能在预先磨光的试样表面上形成有规马氏体转变时能在预先磨光的试样表面上形成有规则的表面浮凸。这说明马氏体的形成与母相奥氏体的宏则的表面浮凸。这说明马氏体的形成与母相奥氏体的宏观切变密切相关。观切变密切相关。第十四页，本课件共有61页 下图是三种不变平面应变，图中的下图是三种不变平面应变，图中的C既有膨胀又既有膨胀又有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。显
13、显然然，界界面面上上的的原原子子排排列列规规律律既既同同于于马马氏氏体体，也也同同于于奥氏体，这种界面称为共格界面。奥氏体，这种界面称为共格界面。第十五页，本课件共有61页（三）马氏体转变的无扩散性（三）马氏体转变的无扩散性 马马氏氏体体转转变变只只有有点点阵阵改改组组而而无无成成份份变变化化，转转变变时时原原子子做做有有规规律律的的整整体体迁迁移移，每每个个原原子子移移动动的的距距离离不不超超过过一一个原子间距，且原子之间的相对位置不发生变化。个原子间距，且原子之间的相对位置不发生变化。1、一一些些具具有有有有序序结结构构的的合合金金发发生生马马氏氏体体转转变变后后有有序序结结构构不不发生变
14、化；发生变化；2、Fe-C合合金金奥奥氏氏体体向向马马氏氏体体转转变变后后，C原原子子的的间间隙隙位位置置保保持不变；持不变；3、马马氏氏体体转转变变可可以以在在相相当当低低的的温温度度范范围围内内进进行行，且且转转变变速速度度极极快快。例例如如：Fe-C、Fe-Ni合合金金，在在-20-196之之间间一片马氏体形成的时间约一片马氏体形成的时间约510-5510-7 秒。秒。第十六页，本课件共有61页（四）马氏体转变的位向关系及惯习面（四）马氏体转变的位向关系及惯习面 奥奥氏氏体体转转变变为为马马氏氏体体时时，新新旧旧两两相相之之间间保保持持着着严严格格的的晶晶体体学学位位向向关关系系，马马氏
15、氏体体的的不不变变平平面面被被称称为为马马氏氏体体的的惯惯习习面面，以平行于此面的母相的晶面指数表示。以平行于此面的母相的晶面指数表示。（五）马氏体转变的可逆性（五）马氏体转变的可逆性 冷却时高温相可以转变为马氏体，加热时马氏体可以冷却时高温相可以转变为马氏体，加热时马氏体可以逆转变为高温相，而且转变都是以马氏体转变方式进行的。逆转变为高温相，而且转变都是以马氏体转变方式进行的。与与 MsMf 相对应，逆转变有相对应，逆转变有AsAf 分别表示逆转变的开分别表示逆转变的开始和终了温度。始和终了温度。第十七页，本课件共有61页马氏体转变的切变模型马氏体转变的切变模型 M转转变变的的无无扩扩散散性
16、性及及在在低低温温下下仍仍以以很很高高的的速速度度进进行行等等事事实实，都都说说明明在在相相变变过过程程中中点点阵阵的的重重组组是是由由原原子子集集体体的的、有有规规律律的的、近近程程迁迁动动完完成成的的，而而无无成成份份变变化化。因因此此，可可以以把把M转转变变看看作作为为晶晶体体由由一一种种结结构构通通过过切切变变转转变变为为另另一一种种结结构构过过程。程。自自从从1942年年以以来来，由由Bain开开始始，人人们们便便根根据据M相相变变的的特特征征，设设想想了了各各种种相相变变机机制制。因因为为相相变变时时母母相相发发生生明明显显的的切切变变，所所以以早早期期提提出出的的机机制制常常常常
17、是是从从简简单单的的切切变变过过程程推推导导出出来来的的，企企图图通通过过简简单单的的切切变变便便可可以以得得到到与与实实验验事事实实相相符符合的合的M。第十八页，本课件共有61页1、贝茵（、贝茵（Bain）模型）模型 早早在在1942年年Bain就就注注意意到到可可以以把把面面心心立立方方点点阵阵看看成成是是轴轴比比为为c/a=1.41(即即21/2:1)的的体体心心正正方方点点阵阵。同同样样，也也可可以以把把稳稳定定的的体体心立方的铁素体看成是体心正方点阵，其轴比等于心立方的铁素体看成是体心正方点阵，其轴比等于1。第十九页，本课件共有61页 Bain模模 型型 给给 出出了了点点阵阵变变化
18、化的的清清淅淅的的模模型型，但但不不能能解解释释宏宏观观切切变变和和惯惯习习面面的的存存在在，也也不不能能解解释释M内内部部的的亚亚结结构。构。第二十页，本课件共有61页2、KS切变模型切变模型 库库尔尔久久莫莫夫夫和和萨萨克克斯斯测测出出含含C为为1.4%的的碳碳钢钢中中M与与A存存在在的的位位向向关关系系，即即KS关关系系，为为了了满满足足这这一一取取向向关关系系必必须须有有点点阵阵的的切切变变。他他们们于于1930年年提提出出了了轴轴比比相相当当于于1.06的点阵转换模型，的点阵转换模型，即即K KS S模型模型。首首先先考考虑虑没没有有C存存在在的的情情况况，设设想想A分分以以下下几几
19、个个步步骤骤转转变为变为M：第二十一页，本课件共有61页（1）在在（111）面面上上沿沿-211方方向向产产生生第第一一次次切切变变，第第二二层层原原子子（B层层原原子子）移移动动1/12-211，而而更更高高层层原原子子则则按按比比例例增增加加。但但相相邻邻两两层层原原子子的的相相对对位位移移都都是是相相同同的的。第一次切变角是第一次切变角是1928。第二十二页，本课件共有61页（2）第第二二次次切切变变：第第二二次次切切变变是是在在（11-2）面面上上（垂垂直直于于（111）面面），沿沿1-10方方向向产产生生1030的的切切变变。第第二二次次切切变变后，使顶角由后，使顶角由120变为变为
20、10930或或60角增至角增至7030。第二十三页，本课件共有61页（3）经经两两次次切切变变后后，再再作作一一些些小小的的调调整整，使使晶晶面面间间距距和和测测得得结结果相符合。果相符合。由由于于没没有有C原原子子存存在在，得得到到的的是是体体心心立立方方点点阵阵的的M。在在有有C原原子子存存在在的的情情况况下下，对对于于面面心心立立方方点点阵阵改改建建为为体体心心立立方方点点时时，两次切变量都略小一些，第一次为两次切变量都略小一些，第一次为1515，第二次为，第二次为9。第二十四页，本课件共有61页 KS切切变变模模型型的的成成功功之之处处，在在于于它它导导出出了了所所测测得得的的点点阵阵
21、结结构构和和位位向向关关系系，给给出出了了面面心心立立方方的的奥奥氏氏体体点点阵阵改改建建为为体体心心正正方方马马氏氏体体点点阵阵的的清清晰晰模模型型，但但是是惯习面和宏观切变与事实不符。惯习面和宏观切变与事实不符。第二十五页，本课件共有61页3、GT模型模型 格格伦伦宁宁格格和和特特赖赖雅雅诺诺于于1949年年提提出出的的另另一一个个两两次次切变模型。切变模型。（1）首首 先先 在在 接接 近近 于于（259）的的面面上上发发生生均均匀匀切切变变，产产生生整整体体的的宏宏观观变变形形，造造成成磨磨光光的的样样品品表表面面出出现现浮浮凸凸，并并且且确确定定了了马马氏氏体体的的惯惯习习面面。这这
22、个个阶阶段段的的转转变变产产物物是是复复杂杂的的三三棱棱结结构构，还还不不是是马马氏氏体体，不不过过它它有有一一组组晶晶面面间间距距及及原原子子 排排 列列 和和 马马 氏氏 体体 的的（112）面相同。面相同。第二十六页，本课件共有61页（2）在在（112）面面 的的11-1方方向向发发生生12 13的的第第二二次次切切变变，这这次次切切变变限限制制在在三三棱棱点点阵阵范范围围内内，并并且且是是宏宏观观不不均均匀匀切切变变（均均匀匀范范围围只只有有18个个原原子子层层）。对对于于第第一一次次切切变变所所形形成成的的浮浮凸凸也也没没有有可可见见的的影影响响。经经第第二二次次切切变变后后，点点阵
23、阵转转变变成成体体心心立立方方点点阵阵，取取向向和和马马氏氏体体一一样样，晶晶面面间距也差不多。间距也差不多。（3）最最后后作作一一些些微微小小的的调调整整，使使晶晶面面间间距距和和试试验验测测得的符合。得的符合。第二十七页，本课件共有61页第二十八页，本课件共有61页 均均匀匀切切边边过过程程亦亦称称可可见见切切变变，可可以以比比较较容容易易的的从从晶晶体体的的宏宏观观表表面面浮浮凸凸确确定定。不不均均匀匀切切变变涉涉及及到到微微观观结结构构的的变变化化，亦亦称称不不可可见见切切变变，不不易易直直接接测测定定。不不均均匀匀切切变变可可以以是是在在平平行行晶晶面面上上的的滑滑移移，也也可可以以
24、是是往往复复的的孪孪生生形形变变。均均匀匀切切变变不不仅仅使使单单胞胞由由正正方方变变为为斜斜方方形形，并并且且使使晶晶体体的的外外形形由由ABCD变变为为ABCD。不不均均匀匀切切变变可可以以产产生生和和均均匀匀相相似似的的微微观观结结构构变变化化，但但晶晶体体无无宏宏观观变变形形。非非均均匀匀切切变变的的这这两两种种方方式式分分别和马氏体的两种亚结构相对应。别和马氏体的两种亚结构相对应。第二十九页，本课件共有61页 G-T模模 型型 能能很很好好地地解解释释马马氏氏体体转转变变的的点点阵阵改改组组、宏宏观观变变形形、位位向向关关系系及及亚亚结结构构的的变变化化。但但不不能能解解释释惯惯习习
25、面面不不应应变变不不转转动动，也也不不 能能 解解 释释 碳碳 钢钢（1.40%C）的的位向关系。位向关系。第三十页，本课件共有61页4.2 热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变（1）Ms，Mf：降温：降温过过程程中中，奥奥氏氏体体将将转转变变成成马马氏氏体体，马马氏氏体体转转变变开开始始和和终终了温度；了温度；（2）As，Af：加加热热过过程程中中，马马氏氏体体逆逆相相变变开开始始和和终了的温度；终了的温度；（3）按按As-Ms的的大大小小和和马马氏氏体体的的生生长长将将马马氏氏体体相相变变分分成成非非热热弹弹性性和和热热弹弹性性马马氏氏体体相相变两类。变两类。（4）如如右右图图所所示示，Fe-
26、Ni合合金金的的相相变变为为非非热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变；Au-Cd合合金金的的相相变变为为热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变第三十一页，本课件共有61页特征：特征：1）相变温度滞后小；）相变温度滞后小；2）突发式成核并长大；）突发式成核并长大；3）新相于母相保持弹性平衡；）新相于母相保持弹性平衡；4）降温时，马氏体继续）降温时，马氏体继续长大，相界面能往复运动；长大，相界面能往复运动；5）相变速率与成核与马氏）相变速率与成核与马氏体生脏都有关；体生脏都有关；6）形状应变为弹性协作。）形状应变为弹性协作。不符合不符合非热弹性非热弹性马氏体相变马氏体相变部分符合部分符合半热弹性半热弹性热弹
27、性热弹性符合符合第三十二页，本课件共有61页非热弹性马氏体相变过程非热弹性马氏体相变过程奥氏体奥氏体降温降温马氏体形核马氏体形核迅速长大迅速长大继续降温继续降温 最终马氏体量与马氏体片生长速率无关，是由成核速率和最终马氏体量与马氏体片生长速率无关，是由成核速率和马氏体片的大小决定的。马氏体片的大小决定的。热弹性体马氏体相变过程热弹性体马氏体相变过程奥氏体奥氏体降温降温马氏体突发形核马氏体突发形核长大继续长大长大继续长大弹性平衡弹性平衡继续降温继续降温新的形核并长大新的形核并长大相变速率与成核和长大速率都有关相变速率与成核和长大速率都有关马氏体片不再长大马氏体片不再长大第三十三页，本课件共有61
28、页热弹性马氏体相变的晶体学特征热弹性马氏体相变的晶体学特征：1、条件：进行热弹性马氏体相变的条件是相变时不发生、条件：进行热弹性马氏体相变的条件是相变时不发生局部范性形变的合金。母相的有序化，有利于提高母相的局部范性形变的合金。母相的有序化，有利于提高母相的弹性极限，使母相不发生局部的范性形变，同时有利于马弹性极限，使母相不发生局部的范性形变，同时有利于马氏体逆相变时恢复形状，因此有利于产生热弹性马氏体相氏体逆相变时恢复形状，因此有利于产生热弹性马氏体相变。变。CsCl型型：B2型结构，型结构，Pm3m空间群，空间群，Fe3Pt型型：L1型结构，型结构，Pm3m空间群，空间群，a=0.375n
29、m2、三类主要的马氏体相变合金、三类主要的马氏体相变合金Fe3Al型型：D03型结构，型结构，Fm3m的空间群，的空间群，a=0.5793nm第三十四页，本课件共有61页4.3 形状记忆合金（形状记忆合金（SMA）形状记忆效应（形状记忆效应（SMA）：）：如果将具有热弹性转如果将具有热弹性转变的合金在一定条件下施加外力或将其冷却到该合金的变的合金在一定条件下施加外力或将其冷却到该合金的Ms点（或点（或Mf）点以下并使之发生形状改变，如果）点以下并使之发生形状改变，如果再将这种合金加热到高温相状态（即再将这种合金加热到高温相状态（即As点以上）点以上）使马氏体发生逆转变，此时合金又会自动地恢复到
30、变使马氏体发生逆转变，此时合金又会自动地恢复到变形前的形状。这种现象称为形前的形状。这种现象称为“形状记忆效应形状记忆效应”。第三十五页，本课件共有61页马氏体的形变与加热后的形状记忆马氏体的形变与加热后的形状记忆第三十六页，本课件共有61页形状记忆效应简易演示实验形状记忆效应简易演示实验(a)原始形状原始形状(b)拉拉 直直(c)加热后恢复加热后恢复 第三十七页，本课件共有61页 1951年美国的年美国的Lead首先在首先在Au-Cd、In-Ti合金中发现形状记合金中发现形状记忆效应，他利用忆效应，他利用Au-47.5%Cd合金的记忆效应制作升降机模型，合金的记忆效应制作升降机模型，但由于合
31、金元素价格高、有毒，没有进行实用化尝试而销声匿迹。但由于合金元素价格高、有毒，没有进行实用化尝试而销声匿迹。1963年美国海军研究所的年美国海军研究所的W.Bueher等人发现等人发现Ni-Ti合金合金也有形状记忆效应，并设计了新的机械实验装置，受到许多研究也有形状记忆效应，并设计了新的机械实验装置，受到许多研究者的关注。者的关注。1969年美国年美国Raychem公司生产公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金管接头记忆合金管接头用于用于F14战斗机上的液压管路系统连接，这是战斗机上的液压管路系统连接，这是SMA第一次成功第一次成功应用。应用。70年代以后年代以后SMA真正进入实用化阶段。至真正进入
32、实用化阶段。至80年代末年代末SMA的研究才遍及世界。的研究才遍及世界。90年代初，该合金得到进一步的发展，年代初，该合金得到进一步的发展，现已出现第三代形状记忆合金，且进入商品化阶段。现已出现第三代形状记忆合金，且进入商品化阶段。SMA的发展过程的发展过程第三十八页，本课件共有61页形状记忆合金可以分为三种：形状记忆合金可以分为三种：（1）单程记忆效应）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。为单程记忆效应。（2）
33、双程记忆效应）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。第三十九页，本课件共有61页第四十页，本课件共有61页应力诱发的马氏体相变和伪弹性应力诱发的马氏体相变和伪弹性应力诱发的马氏体相变定义：在外力作用下，及即使温度应力诱发的马氏体相变定义：在外力作用下，及即使温度高于高于Af点，形状
34、记忆合金也发生马氏体相变点，形状记忆合金也发生马氏体相变。伪弹性：形状记忆合金在应力诱发的马氏体相变时伪弹性：形状记忆合金在应力诱发的马氏体相变时所表示出来的超塑性形变行为。所表示出来的超塑性形变行为。伪弹性产生的条件：临界应力大；外加应力不能大伪弹性产生的条件：临界应力大；外加应力不能大于临界应力（保证不产生滑移）；于临界应力（保证不产生滑移）；第四十一页，本课件共有61页4.4 TiNi合金合金4.4.1 TiNi合金的结构和相变合金的结构和相变第四十二页，本课件共有61页1、结构、结构 母相：母相：B2型结构，型结构，a=0.3010.302nm。Ti和和Ni原子分别占原子分别占据立方体
35、的顶点和体心位置，据立方体的顶点和体心位置，110面上面上TiNi原子交替排列构原子交替排列构成密排面。成密排面。马氏体相：单斜结构，共马氏体相：单斜结构，共24各个变体，各个变体，a=0.2899,b=0.4120,c=0.4622nm，=96.80度。度。中间相：当稳定的新相和母相之间的晶体结构差异较中间相：当稳定的新相和母相之间的晶体结构差异较大时，相变不易发生，母相往往不直接转变成自由能最低大时，相变不易发生，母相往往不直接转变成自由能最低的稳定的新相，而是先形成结构和成分与母相交接近的自的稳定的新相，而是先形成结构和成分与母相交接近的自由能较低的亚稳态的过渡相。由能较低的亚稳态的过渡
36、相。R相相:a=0.602nm,=90.7度。度。第四十三页，本课件共有61页R相变不出现相变不出现记忆效应由单一记忆效应由单一相变贡献相变贡献Ti-Ni合金呈现记忆效应的两种相变过程合金呈现记忆效应的两种相变过程母相母相 马氏体马氏体母相母相 R相相 马氏体马氏体依成分和预处依成分和预处理条件的不同理条件的不同相变过程都是相变过程都是热弹性马氏体热弹性马氏体相变相变R相变出现相变出现记忆效应由两个相记忆效应由两个相变阶段贡献变阶段贡献加铁、时效加铁、时效第四十四页，本课件共有61页TiNi合金相变的影响因素合金相变的影响因素（1）成分的影响）成分的影响 Ni含量在含量在4751at，Ms从从
37、80降至降至150。含含Ni量超过此范围，合金便不存在形状记忆效应。量超过此范围，合金便不存在形状记忆效应。MsNi atom%80C-100 C4751（2）热处理、加工的影响）热处理、加工的影响第四十五页，本课件共有61页例例：加加Cu置置换换Ni形形状状记记忆忆效效应应、力力学学性性能能，合合金金的的价价格格显显著著降降低低，加加入入Cu对对相相变变温温度度有有显显著著影影响响，相相变变温温区区（Ms-Mf）、（Af-As）都变窄，窄滞后记忆合金都变窄，窄滞后记忆合金 例例：加加Nb可可得得到到很很宽宽滞滞后后的的记记忆忆合金。合金。合金元素对合金元素对Ti-Ni合金相变的影响合金相变的
38、影响加入合金元素调整相变点加入合金元素调整相变点第四十六页，本课件共有61页第三元素的引入：第三元素的引入：Co、Fe等代替部分等代替部分Ni，降低，降低Ms；V、Cr、Mn代替代替Ti，降低，降低Ms；Fe代替代替Ni，Ms下降，但是对下降，但是对R相的起始转变温度无影响，相的起始转变温度无影响，Fe的浓度的浓度4%时，增加时，增加R的稳定温度。的稳定温度。Cu代替代替Ni，相变温度不变，（，相变温度不变，（Af-Mf）减小，脆性增加，不）减小，脆性增加，不利于加工。利于加工。Pt、Pd的加入，提高的加入，提高Ms,如如Pt全部替代全部替代Ni，Ms超过超过500 CNb(铌铌)的加入，使（
39、的加入，使（Af-Mf）增达到）增达到150 C。第四十七页，本课件共有61页（3）TiNi合金的形状记忆处理合金的形状记忆处理：形状记忆功能必须：形状记忆功能必须进行训练进行训练*单程记忆处理：单程记忆处理：三个独立的处理方式三个独立的处理方式 中温处理，轧制，冷拔等高度冷加工的合金材料，加中温处理，轧制，冷拔等高度冷加工的合金材料，加工成所需要的形状后，在工成所需要的形状后，在400-500 C加热加热30分钟。分钟。低温处理：低温处理：800 C以上高温退火候，在室温下成形，以上高温退火候，在室温下成形，加工成所需要的形状，再在加工成所需要的形状，再在200-300 C保持数十分钟。保持
40、数十分钟。时效处理：优点是可以消除材料的历史影响，缺点是工艺时效处理：优点是可以消除材料的历史影响，缺点是工艺太复杂。太复杂。*双程记忆处理：双程记忆处理：强制变形（在马氏体状态对合金进行强制变形（在马氏体状态对合金进行10%以上的强制变形）以上的强制变形）约束加热（将变形后的形状固定后加热约束加热（将变形后的形状固定后加热到高于到高于Af50 C以上）以上）训练（将合金变形到可恢复的程度，训练（将合金变形到可恢复的程度，加热使其恢复，反复的训练）加热使其恢复，反复的训练）*全程记忆处理：全程记忆处理：条件（较高的条件（较高的Ni含量），原因（在约束含量），原因（在约束时效时，在母相中形成了细
41、小的析出物，产生应力场）时效时，在母相中形成了细小的析出物，产生应力场）第四十八页，本课件共有61页4.5 Cu基合金基合金Cu-Al合金合金Al含量高时含量高时2相也随之析出不利于记忆效相也随之析出不利于记忆效应。加入应。加入Ni可抑制可抑制2相析出相析出,从而发展出从而发展出Cu-Al-Ni系记系记忆合金。加入其它组元进一步提高性能（多元合金）忆合金。加入其它组元进一步提高性能（多元合金）基基本本特特点点：形形状状记记忆忆效效应应好好，价价格格便便宜宜，易易于于加加工工制制造造，但但强强度度较较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。主要合金
42、：主要合金：主要由主要由Cu-Zn和和Cu-Al两个二元系发展而来两个二元系发展而来Cu-Zn合合金金的的热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变温温度度极极低低，通通过过加加入入Al,Ge,Si,Sn,Be可可以以有有效效的的提提高高相相变变温温度度，由由此此发发展展了了的的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be)三三元元合合金金。加加入入其其它它组组元元进进一一步提高性能（多元合金）步提高性能（多元合金）第四十九页，本课件共有61页Cu-Zn-Al合金相图的垂直截面合金相图的垂直截面图图(6 wt%Al)Cu基记忆合金的成分范围通基记忆合金的成分范围通常在常在 相（电子化合物）区相（电子
43、化合物）区Cu基记忆合金中的基本相和相变基记忆合金中的基本相和相变 相区成分的合金相区成分的合金亚稳的有序亚稳的有序 相相高温淬高温淬火冷却火冷却马氏体马氏体热热弹性马氏弹性马氏体相变转变体相变转变加热加热冷却冷却第五十页，本课件共有61页Cu-Zn-Al基记忆合金的稳定性及其影响因素基记忆合金的稳定性及其影响因素影响相变点的因素：影响相变点的因素：稳定性稳定性 相变点、记忆性能、力学性能、化学相变点、记忆性能、力学性能、化学成分成分：Ms(oC)=1890-5100w(Zn)%-13450w(Al)%热热循循环环：随随热热循循环环次次数数的的增增加加相相变变点点会会变变化化。在在大大多多数数
44、情情况况下下Ms、Af温温度度升升高高，而而As和和Mf下下降降或或保保持持不不变变。同同时时马马氏氏体体转转变变的的量量也也会会有有所所降降低低，即即有有部部分分马马氏氏体体失失去去热热弹弹性。循环一定次数后相变点与马氏体转变量都趋于稳定值。性。循环一定次数后相变点与马氏体转变量都趋于稳定值。第五十一页，本课件共有61页SMA的应用的应用月球上使用的形状记忆合金天线月球上使用的形状记忆合金天线 第五十二页，本课件共有61页形状记忆合金铆钉形状记忆合金铆钉第五十三页，本课件共有61页形状记忆合金管接头形状记忆合金管接头第五十四页，本课件共有61页 形状记忆合金在现代临床医疗领域内已获得广泛应形
45、状记忆合金在现代临床医疗领域内已获得广泛应用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，各类人体腔用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，各类人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器正畸器、内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线等等，都可以用形状育环、医用介入导丝和手术缝合线等等，都可以用形状记忆合金制成。医用腔内支架的应用原理如记忆合金制成。医用腔内支架的应用原理如4所示。记所示。记忆合金支架经过预压缩变形后（忆合金支架经过预压缩变形后（a），能够经很小），
46、能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成如图（后形成如图（b）所示的记忆合金骨架，在人体腔内）所示的记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，如图（支撑起狭小的腔道，如图（c）所示，这样就能起到）所示，这样就能起到很好的治疗效果。很好的治疗效果。第五十五页，本课件共有61页（a）预压缩）预压缩（b）受热扩张后）受热扩张后（c）植入腔道内效果）植入腔道内效果第五十六页，本课件共有61页（a）消化道内支架）消化道内支架（b）血管内支架）血管内支架（c）
47、胆道内支架）胆道内支架腔内支架临床应用实例腔内支架临床应用实例 第五十七页，本课件共有61页形状记忆合金血栓过滤器形状记忆合金血栓过滤器第五十八页，本课件共有61页 记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合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，弹簧的长度立即金制成的弹簧为例，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。利用形状记忆合金伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。下图是日本功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。下图是日本 TOTO公司生产的智能水温调节器。公司生产的智能水温调节器。智能水温调节器智能水温调节器 第五十九页，本课件共有61页移动电话天线 牙刷形状记忆合金眼镜架形状记忆合金眼镜架 第六十页，本课件共有61页习题1.什么是马氏体相变，马氏体相变的特征是什么是马氏体相变，马氏体相变的特征是什么？什么？2.以以TiNi合金为例，说明形状记忆合金材料的合金为例，说明形状记忆合金材料的工作原理。工作原理。3.形状记忆合金主要有哪些用处？形状记忆合金主要有哪些用处？第六十一页，本课件共有61页