文档介绍：一、形状记忆合金的发现过程
1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发现形状记忆效应。
1938年哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。但当时并未引起人们的重视。
1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时,在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状,经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从此形状记忆合金引起了极大的关注。
此后的40多年的研究过程中,在相变理论应用研究上都取得了很大的成就。目前已发现具有形状记忆效应的合金涉及7、8个合金系,达几十种合金。其中Ni-Ti合金和Cu基合金已进入工业应用,其范围涉及国防、汽车、机械、能源、交通、生物医学及及常生活等领域。
形状记忆合金演示实验
材料在一定的温度下会恢复一定的形状,仿佛记住了温度所赋予的形状一样。
铁也有两种不同的基本晶体结构,即体心立方铁和面心立方铁。
这种由相同的原子组成的不同的晶体结构,在材料学中又称为不同的“相”。
体心立方铁和面心立方铁属不同的“相”,前者称为α~Fe (铁素体),后者称为γ~Fe(奥氏体)。
二、形状记忆合金记忆效应
前者是常温下存在,而后者是高温下存在,它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。
人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”,就能演出一幕幕“相”变戏,即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构,材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变,当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态,性质也随之复原。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy),简称SMA,是具有形状记忆效应的合金。
合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下,合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。
这种热弹性马氏体不像Fe-C合金中的马氏体那样,在加热转变成它的母相(奥氏体)之前即发生分解,而是加热时直接转成它的母体。
将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下,对之进行一定限度的变形,卸去载荷后,变形被保留下来;
将变形了的试样加热到Af点,试样恢复到变形前的形状。
图中Mf表示冷却时转变的终止温度,Af表示逆转完全的温度。
形状记忆效应可分为三类:
单程记忆效应:在马氏体状态下受力变形,加热时恢复高温相形状,冷却时不恢复低温相形状。
双程记忆效应(可逆形状记忆效应):加热时恢复高温形状,冷却时恢复低温形状,即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。
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向相反的高温相形状。这是一种特殊的双程记忆效应。
三、马氏体相变与形状记忆效应
1. 形状记忆合金的特性
合金在某一温度下变形后,仍保持其变形的形状,但当温度升高到某一温度时,其形状恢复到变形前的原形状,即对以前的形状保持记忆特性,称为形状记忆效应。形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图1所示。
普通金属和合金,在弹性范围变形时,载荷去除后可恢复到原来形状,无永久变形,但当变形超过弹性范围时再去除载荷,材料不能恢复到原来形状而保留永久变形,加热并不能使此永久变形消除,如图1a所示。而形状记忆合金在变形超过弹性范围时,去载后虽也有残留变形,但当加热到某一温度时,残留变形消失而恢复到原来形状,如图1c。另外,形状记忆合金变形超过弹性范围后,在某一程度内,当去除载荷后,也能徐徐返回原形,如图1b所示,这一特性称为超弹性。如CuAINi合金,当伸长超过20%(大于弹性极限)后,去载仍可恢复。
图1 形状记忆效应和超弹性
a) 普通金属;b) 超弹性;c) 形状记忆
2. 温度的单程与双程形状记忆
将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为马氏体开始相变温度Ms,继续冷却到马氏体相变停止的温度称为Mf;将处于低温的马氏体相加热,到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为As,继续加温到某一温度,马氏体相全部转变到原母相的状态,此温度为Af。
形状记忆效应一般以形状回复率η来表示。设试样在母相态时的原始形状(若以长度表示)为l0,马氏体态时经形变(若为拉伸)为l1,经高温逆相变后为l2,则
3. 非热弹性、热弹性和半热弹性马氏体相变
(1)非热弹性马氏体
马氏体一旦形核转变,在10-7s的瞬间即长成最终状态,并且不随温度下降而长大。在马氏体逆相变时和马氏体相变一样,需要一定的过热度,母相同样在马氏体中形核并迅速长大。开始逆转变温度As总是高于Ms,因为逆相变驱动力G M→P和G P→M几乎相等,于是G M→P和G P→M为零时的平衡温度都为T0,则有平衡温度T0为
非热弹性马氏体相变热滞大、As-Ms温差大,相变时,母相晶体产生塑性变形,两相界面不具有协调性,相界面不能随温度