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形状记忆合金分析解析

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-ppt-形状记忆合金

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1、Ni-Ti形状记忆合金
基本特点：具有良好的力学性能，抗疲劳， 耐磨损，抗腐蚀。记忆效应优良、生物相容性 好等一系列的优点。但制造过程较复杂、价格
高昂。
用极薄的记忆合金材料
先在正常情况下按预定要求 做好，然后降低温度把它压 成一团，装进登月舱带上天 去。放到舱面上以后，在阳 光照射下温度升高，当达到 转变温度时，天线又“记” 起了自己的本来面貌，变成 一个巨大的半球形。

利用形状记忆合金也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安
装置。当发生火灾时，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警 装置，达到报警的目的。
SMA火灾报警器
在航天上，可用形状记忆合金制作航天 用天线，将合金在母相状态下焊成抛物面 形，在马氏体状态下压成团，送上太空后, 在阳光加热下又恢复抛物面形。此外，超 弹性合金作为机械储能材料也很有前景。
(2) 影响相变温度的因素
1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相变温度降低10℃。
2)第三元素: Fe、Co可降低Ms；Cu置换Ni可减少相变滞后，节约合金成 本；Nb使相变滞后明显增加；开发的宽滞后记忆合金。 3)杂质元素:碳、氢、氧等降低Ms。 4)时效温度、时效时间明显影响相变温度。
二、形状记忆效应的性质
马氏体相变
钢淬火变硬的现象
f.c.c.
b.c.c
马氏体相变晶体学模型
马氏体相变平面示意图
马氏体相变的基本特征
•无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
临界转变温度
☞马氏体相变与其他相变一样，具有可逆性。当冷却时，由高温母相变

②马氏体相变通过孪生(切变)完成，而不是通过滑移产生； ③母相和马氏体相均属有序结构

形状记忆合金介绍

形状记忆合金介绍
34
TiNi合金与CuZnAl合金性能对比 合金类型 恢复应变 恢复应力 循环寿命 TiNi合金 最大8% 最大400MPa 105(ε=0.02) 107(ε=0.005) CuZnAl合金 最大4% 最大200MPa 102(ε=0.02) 103(ε=0.005)
耐蚀性
加工性 记忆处理
良好
不良 较易
伪弹性应力应变示意图
29
• 在D点之前应力被取消，例如在点C’，应变通过 几步可恢复：
C’F段：马氏体的弹性恢复； FG段：马氏体向奥氏体转变后引起的应变恢复，F点 是卸载中马氏体能存在的最大应力，在该点开始发生 马氏体向奥氏体的逆相变，随后马氏体量不断减少直 到奥氏体完全恢复(G点)， GH段：奥氏体的弹性恢复。
钢的马氏体转变
16
• 为使A(母相)-M(马氏体相)相变产生，M相的化学自 由能必须低于A相。 • 相变需要驱动力，不过冷到适当低于T0(A相和M相 化学自由能达到平衡)的温度，相变不能进行， • 逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0 的温度 ，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
30/100
-140/100 -150/100 -120/30 -180/-10
NiAl
TiNi FePt FePd MoCu
36-38at%Al
49-51at%Ni 25at%Pt 30at%Pd 5-35at%Cu
-100/100
-50/100 /-130 /-100 -250/180
11
23-28at%Au 45-47at%Zn
目前，已在Ni48.8Mn29.7Ga21.5单晶中得到约10%的可恢复 磁感生应变。

形状记忆合金原理

形状记忆合金原理
双程形状记忆效应
形状记忆合金 全程形状记忆效应——当加热时恢复高i- Ni合金中出现。
全程形状记忆效应
形状记忆合金
马氏体相变与形状记忆原理
热弹性马氏体相变 超弹性和伪弹性 应力诱发马氏体相变
形状记忆合金
马氏体相变与形状记忆原理 大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体 相变而呈现形状记忆效应。
形状记忆合金
②工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等
形状记忆合金用作铆钉的工作原理图
形状记忆合金 ③医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（Ti-Ni合金）
支撑性与柔韧性完美协调 的Ti-Ni记忆合金食道支架
形状记忆合金
④智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为 一体 的新型材料，可广泛应用于各种自动调节 和控制装置，如各种智能、仿生机械。
形状记忆合金
具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金 属元素构成的合金，故称为形状记忆合金
(Shape Memory Alloys，简称SMA)。
20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、 超导材料中发现形状记忆效应。
形状记忆合金 形状记忆效应可分为3种类型：
①单程形状记忆效应 ②双程形状记忆效应 ③全程形状记忆效应
超弹性或伪弹性
产生热弹性马氏体相变的形 状记忆合金，在Af温度以上 诱发产生的马氏体只在应力 作用下才能稳定地存在，应 力一旦解除，立即产生逆相 变，回到母相状态，在应力 作用下产生的宏观变形也随 逆相变而完全消失。其中应 力与应变的关系表现出明显 的非线性，这种非线性弹性 和相变密切相关，叫做相变 伪弹性 或超弹性
优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好 缺点：制造过程较复杂，价格高昂

形状记忆合金的性质,应用及效应机制

形状记忆合金的性质,应用及效应机制

片状马氏体
板条马氏体
针状马氏体
马氏体相变：
它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 转变为马氏体的过程。
可 以 恰 当 而 简 练 的 定 义 为“ 原 子 联 动 所 引 起 的 切 变 型 点 阵 相 变 ”。母 相 中 的 原 子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常 小 ，因 而 逆 相 变 时 母 相 变 体 完 全 固 定 不 变 。这 样 一 来 ，逆 相 变 时 必 然 选 取 原 位 向 的 母 相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出 现 滑 移 ，由 滑 移 导 致 的 变 形 即 使 加 热 也 消 除 不 了 。热 弹 性 马 氏 体 相 变 发 生 的 不 是 滑 移 ， 而 是 另 一 种 基 本 的 形 变 机 制 — — 孪 生 。从 微 观 上 看 ，晶 体 原 子 排 列 沿 某 一 特 定 面 镜 像 对 称 。那 个 面 叫 孪 晶 面（ 孪 晶 是 指 两 个 晶 体（ 或 一 个 晶 体 的 两 部 分 ）沿 一 个 公 共 晶 面 构 成 镜 面 对 称 的 位 向 关 系 ， 这 两 个 晶 体 就 称 为 " 孪 晶 " ， 此 公 共 晶 面 就 称 孪 晶 面 ）。 即 实 际 上 它 是 由 位 向 互 为 孪 晶 关 系 的 两 种 马 氏 体 区 构 成 ，每 一 个 马 氏 体 和 母 相 点 阵 之 间 具 有 晶 体 学 上 等 价 的 特 定 点 阵 对 应 关 系 。这 种 具 有 点 阵 对 应 关 系 的 每 个 马 氏 体 称 为 对 应变体。

形状记忆合金材料

形状记忆合金材料
低,相变温度区间宽,低滞后以及导热性好。
3.铁系形状记忆合金
•
与Ni-Ti基及Cu基合金相比，铁基合金价格低、
加工性好、机械强度高、使用方便。目前已发现
的铁基形状记忆合金的成分、结构和性能，其中
应用前景最好的合金是FeMnSiCrNi和FeMnCoTi
系。
铁基形状记忆合金的成分和性能
四、形状记忆合金的应用
却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，弯度回升
是马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体 叫热弹性马氏体。
•
•
在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，
形成的马氏体叫应力诱发马氏体。 有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏 体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马 氏体叫应力弹性马氏体。
•
如在NiTi合金中,加入W,会产生明显的固溶 强化,提高NiTiW合金的强度和力学性能。但是W
的加入不会改变整个NiTi合金的相变温度。
2.Cu系形状记忆合金
•
Cu基记忆合金分为Cu-Al系和Cu-Zn系,比NiTi
合金生产成本低(10%),而且加工性能好,应用日益
广泛,但是相变温度稳定性差,韧性不好;但是价格
四、形状记忆合金的应用
五、形状记忆合金的发展
六、形状记忆合金的制备
一、形状记忆效应
原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到 一定值时，它又恢复到原来弯曲的形状。人们把 这种现象称为形状记忆效应（SMF），具有形状
记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆效应有三种形式:单程形状记忆效应，
双程形状记忆效应，全程形状记忆效应。
4.马氏体相变
•

电子器件习题答案分析解析

电子器件习题答案分析解析

第一章作业1．形状记忆合金为什么具有形状记忆的功能？答：马氏体相变过程如右图。

将形状记忆合金从高温母相（a）冷却，在低于室温附近的某一温度时，母相（a）变为马氏体相（b），这时的马氏体是由晶体结构相同，结晶方向不同的复数同系晶体构成，同母相相比，各同系晶体都发生了微小变形，但形成同系晶体时避免相互之间形变，从而保证在外形上没有改变。

马氏体相中的A面和B面在足够小的力下即能移位，所以马氏体相材料柔软，易变形，在外力作用下，马氏体向着外力择优的方向变形为变形马氏体相（c）。

此材料在加温时，又能返回母相（a），从而恢复形状，马氏体相（b）在温度高于一定程度逆相变点Af时也能返回高温母相。

一般来说，高温母相只有温度冷却到马氏体相变温度Ms以下时，才开始向马氏体相转变，但在外力作用下，即使温度高于逆相变点（Af），也能形成马氏体相，但此时仅能形成择优方向的变形马氏体，由于在温度高于（Af）时，马氏体相能量不稳定，除去电荷后立即能恢复到母相（a）。

综上可知，形状记忆合金具有形状记忆功能。

2．分析说明温度变化对高纯的Cu，Si及(Cu-Al-Ti-Ni)形状记忆合金电阻率（ρ）的影响1）Cu(金属)：温度升高散射作用增大，电阻率（ρ）升高；温度下降散射作用减小，电阻率（ρ）下降；2）Si（半导体）：温度升高晶格散射加剧会使μn减小，但激发产生的载流子增多，使ρ减小占优势，从而使宏观电阻率ρ减小，使Si呈现负温度特性。

3）(Cu-Al-Ti-Ni)形状记忆合金：①.母相立方晶体，晶格畸变小，散射作用弱，ρ小，马氏体相为斜方晶体，晶格畸变大，散射作用大，ρ大。

②相变过程中，混合相看哪相比例大。

③温度升高，散射作用大，ρ增大；温度下降，散射作用小，ρ减小；④实线（降温过程）：母相（高温）→ Ms: T减小，ρ减小；Ms → M f:立方→斜方变化，T减小，ρ增大；M f→ 马氏体：T减小，ρ减小虚线（升温过程）：马氏体→As: T升高，ρ增大。

形状记忆合金

形状记忆合金

浅谈形状记忆合金传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。

难道合金也会像人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。

形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象，即它能记忆母相的形状。

具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素的合金，这样的合金成为形状记忆合金。

其主要技术指标如下：机械性能：拉伸强度：700－900Mpa（热处理）延伸率：15－30%形状记忆功能：单程（N=1）6－10%，双程（N=10-107）0.5-5%物理性能：密度：约6.5g/cm3.热膨胀系数：10-106/℃.熔点：约1300℃，导弹率：0.209W/cm℃（室温）. 比热：6-8Cal/mol℃电阻率：(50－110) ×10-6chm.cm。

那么形状记忆合金是如何被发现，原理是什么，有哪些具体的应用，又经历了怎样的发展呢？在接下来的文字中你将找到答案。

1963年，美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。

为了使用方便，于是就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。

在后续试验中一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且和原来的形状丝毫不差。

再反复多次试验，每次结果都完全一致，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。

就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。

形状记忆合金可以分为三类：单程记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。

如图1所示，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为单程记忆效应；某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应；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低温相形状，称为全程记忆效应。

记忆能力超强的形状记忆合金_3

记忆能力超强的形状记忆合金_3

记忆能力超强的形状记忆合金论文导读：形状记忆合金是在一个偶然的机会中。

记忆能力，记忆能力超强的形状记忆合金。

关键词：记忆能力，形状记忆合金形状记忆合金是在一个偶然的机会中，无意间被发现的。

那是1961年春末夏初的事情，一天，美国海军的一个研究所军械研究室的冶金专家彼勒，因在其试验的工程中需要一批特殊的合金丝——镍（Ni）钛(Ti)合金丝（又称NT合金）。

免费论文，记忆能力。

由于从仓库领来的这些细丝弯弯曲曲盘在一起，于是彼勒让工作人员把它们一根一根的拉直备用，然而在这一过程中，工作人员惊异的发现，这些被拉直的镍钛合金丝在接近火源时，奇迹出现了，它们马上又恢复到与领来时完全一样的弯曲形状，堆积在一起。

冶金专家彼勒对此是既感到惊异又非常有兴趣。

为了证实这种现象的存在，他又进行了多次重复实验进行验证，把弯曲的镍钛合金丝拉直后再加热，当弯曲的镍钛合金丝升高到一定的温度时，这些合金丝果然又恢复到了原先的弯曲状态。

彼勒的实验结果表明：镍钛合金具有“单向”形状记忆功能，它能“记住”自己在较高温度状态下的形状，无论平时把它变成何种形状，只要把它加热到某一特定的温度，它就能立即恢复到原来的形状。

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将NT合金加工成一定的形状，在300℃～1000℃温度下热处理30分钟，这种合金就能“记住”自己的形状。

在彼勒研究的基础上，科学家们通过进一步的研究与实验还发现：自然界确实存在着能恢复原状的物质。

科学家们把镍钛合金所具有的这种特性称为合金的“形状记忆效应”；称这种能恢复原状的合金为形状记忆合金。

科学家们在深入研究的过程中还发现，许多合金，如金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金等，也有如同镍钛合金一样的形状记忆功能。

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为什么这些合金会具有形状记忆功能呢？科学家们经过进一步的研究发现：原来金属的晶体状态，在被加热和冷却时是不同的，这类合金都有一个共同的特点，那就是他们的晶体结构都有随温度的变化由不稳定状态向稳定状态转变的性质。

形状记忆合金原理、性质与应用

形状记忆合金原理、性质与应用

体
合
称
为
一
个
马
氏
体
片
群
，(a)实线：孪晶界及变体之间的界 面。虚线：基准面；
如图3-1。
(b)在 (01 1 ) 标准投影图中，四个 形状记忆合金原理、性变质和体应的用惯习面法线的位置
通常的形状记忆合金根据马氏体与母相 的晶体学关系，共有六个这样的片群，形成 24种马氏体变体。每个马氏体片群中的各个 变体的位向不同，有各自不同的应变方向。 每个马氏体形成时，在周围基体中造成了一 定方向的应力场，使沿这个方向上变体长大 越来越困难，如果有另一个马氏体变体在此 应力场中形成，它当然取阻力小、能量低的 方向，以降低总应变能。由四种变体组成的 片群总应变几乎为零，这就是马氏体相变的 自适应现象。
形状记忆合金原理、性质和应用
如 图 3-2 所 示，记忆合金 的 24 个 变 体 组 成六个片群及 其晶体学关系， 惯习面绕6个 {110} 分 布 ， 形 成6个片群。
图3-2 24个自适应马氏体变体
形状记忆合金原理、性质和应用
每片马氏体形成时都伴有形状的变化。 这种合金在单向外力作用下，其中马氏体顺 应力方向发生再取向，即造成马氏体的择优 取向。当大部分或全部的马氏体都采取一个 取向时，整个材料在宏观上表现为形变。对 于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方 向择优取向，在相变同时，材料发生明显变 形，上述的24个马氏体变体可以变成同一取 向的单晶马氏体。
形状记忆合金原理、性质和应用
母相受力生成马氏体并发生形变，或先 淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑性变 形，变形后的合金受热(温度高于As)时，马 氏体发生逆转变，回复母相原始状态；温度 升高至Af时，马氏体消失，合金完全回复到 原来的形状。但是具有热弹性马氏体相变的 材料并不都具有形状记忆效应，这一点可以 从热力学上给予证明，在此不详细讨论。

形状记忆合金(SMA)讲解

形状记忆合金(SMA)讲解

马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
定义(As-Ms)为马氏体相 变的热滞后 马氏体与母相的平衡温度
∆G（T）PM是母相转变为马氏体的驱动力； ∆Gc PM是母相转变为马氏体的化学驱动力 （∆Gc PM=G M -G P）；∆Gnc PM是非化学 驱动力，主要是相变时新旧相体积变化而 产生的应变能；∆Gs是指弹性应变能以外的 相变阻力，近似看作定值。
热弹性马氏体相变
• 热弹性马氏体相变的晶体学特征
– 具有晶体学可逆性：表现为马氏体晶体结构在 逆相变中回复到了原来母相的晶体结构，以及 在晶体位向上也得到了完全的回复 – β相合金的晶体结构持征及其分类
• • β合金：母相是体心立方结构类型的形状记忆合金 β合金分3类
– 马氏体相的周期堆垛结构 – 热弹性马氏体相变中的晶体结构对应关系
• •
马氏体相变是切变性相变
• 切变性相变：从母相到马氏体相的转变过程是以切 变方式进行的，是靠母相和新相界面上的原子以协 同的、集体的、定向的和有次序的方式移动，实现 从母相到马氏体相的转变 • 实验证明
– 浮凸：预先磨制抛光好的试样，当激冷发生马氏体相变 后，在试样表面能观察到宏观的倾斜的隆起 – 折线：在发生马氏体相变前，在试样上刻上一条直线， 发生马氏体相变后，刻痕直线受折，有的时候会被折成 几段，但直线仍然保持连续
马氏体相变晶体缺陷与相变可逆性
• 马氏体内一定有晶体缺陷存在，这些缺陷 包括孪晶、高密度位错、层错等
– 高碳钢晶体缺陷：孪晶 – 底碳钢晶体缺陷：高密度位错 – 有色合金晶体缺陷：层错或孪晶
• 马氏体相变具有可逆性：在冷却过程中形 成的马氏体，经过加热后可以通过马氏体 逆转变回到母相状态。

形状记忆合金及其应用

形状记忆合金及其应用
1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金
①TiNi系列，发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。
②β铜基合金系，包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’（2H）或单斜β1’（18R1）,γ1’—单斜β1”（18R2），β1”--单斜α1, β1’--单斜α1相变（视应力大小而定）；Cu-Zn-Al-X（Cu-Zn-Al-X，X=Mn或Ni等），发生体心立方（β2、DO3或Lα1）--单斜9R或18R相变；其它，如Cu-Zu和Cu-Zn-X（X=Si、Sn、Au等）。
六、形状记忆合金的主要应用
SMA由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。
仅以TiNi形Biblioteka 记忆合金为例。1、SMA薄膜在MEMS驱动和传感元件上的应用：日本东京大学的Nakamrua等人[8]研制了SMA薄膜环形微驱动器。采用TiNi泵膜的微泵一次循环中可产生8%的应变，泵程输出的流体体积与可恢复应变是成正比的,因此TiNi薄膜在微泵方面具有很好的应用前景。
在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。
按照记忆效应不同，可分为三类：
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。
双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
形状记忆合金及其应用
一、何为形状记忆合金

形状记忆合金

形状记忆合金

生物医疗
用于医学领域的 TiNi形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面 的要求，即良好的生物相容性。TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上 TiNi合金主要应用有：
(a)牙齿矫形丝用超弹性 TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi合金丝是最适宜的。 通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr合金丝，但这些材料有弹性模量高、弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力， 在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产 生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变（stress-induced martensite）使弹性模量呈现非线型特性，即应变增 大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它 压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来 的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。
另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射 期间的污染。
分类
形状记忆效应
伪弹性
形状记忆效应
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。
双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
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向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
其它
在工程和建筑领域用 TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥 梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。

形状记忆合金

形状记忆合金

② 双程形状记忆处理 a、强制变形 是指对低温马氏体状态下的合金进行一定限度的、10％以上的强制变 形。 b、约束加热 是使处于马氏体状态下的合金变形，并将变了形的形状约束固定下来， 然后再将合金加热到高于Af温度50℃，甚至更高一些温度进行保温时 效处理的方法。也称为约束时效。 c、训练 是先将合金变形到估计能够回复的程度，然后将合金加热，使它回复 原来的形状，再反复多次地重复上述变形、加热过程，即可得到双程 形状记忆效应。
高温相或母相为β固
溶体，具有B2结构， 即体心立方点阵 。 淬火后得到马氏体β΄， β΄具有复杂的长周期堆
垛结构，属于单斜晶系。
2、Ti—Ni合金的形状记忆特性
形状记忆特性指标：
相变温度：Ms、Mf、As、Af。 温度滞后：指马氏体相变开始温度和逆相变开始温度的差 值，As－Ms。 形状回复量：反映形状记忆合金随温度变化所表现出来的
特点：既能记忆母相的形状，也能记忆马氏体相的形状。 当加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应，能够恢 复到母相的形状；而当从母相再次冷却为马氏体时，又可 以恢复到马氏体的形状。
（c）称为全方位形状记忆效应。 特点：在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的 形状。
许多形状记忆合金还具有相变伪弹性效应。
强烈的加工硬化现象，以及形状记忆和伪弹性效应。所以，
Ti—Ni合金的冷拔、切削加工、钻孔等都有一定难度。切 削时，即使采用高速钢，都很困难，一般要采用硬质合金
刀具。
（3）形状记忆处理
① 单程形状记忆处理
a、中温处理 将冷加工后的材料按照所需要的形状加工成型后，在400℃～500℃之间
进行几分钟～几个小时的加热保温的一种工艺。
b、低温处理 是先在800℃以上的高温下使合金材料完全退火，然后在室温下成型加

第三章形状记忆合金

第三章形状记忆合金

2021/3/12
第三章形状记忆合金
2021/3/12
第三章形状记忆合金
第三节 形状记忆材料的应用
一． 工程应用
2021/3/12
第三章形状记忆合金
2021/3/12
第三章形状记忆合金
2021/3/12
第三章形状记忆合金
2021/3/12
第三章形状记忆合金
恒温器混合阀
通常恒温器混合阀供水温度由冷、热水的混 合阀门来控制，其工作原理见图2。用形状记忆合 金制作的弹簧受冷、热水温的影响而改变。当混 合水温度增高时，形状记忆合金弹簧向右移动， 通过增大冷水量来降低混合水温；当混合水温度 降低时，引起弹簧向左移动，混合水温度随之升 高。混合水温度的调整是通过温度控制旋钮来完 成，通过温度控制旋钮改变偏压弹簧的压力，混 合水温度即得以调整, 这种恒温器混合阀的优点是 控制混合水的温度非常及时，因此可防止意外热 水排出引起烫伤，消除冷水排出引起突冷。
2021/3/12
第三章形状记忆合金
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2021/3/12
第三章形状记忆合金
研究表明，很多合金材料都具有SME， 但只有在形状变化过程中产生较大的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
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形状记忆合金在航空航天中的应用
航天飞机释放的膨胀月面天线
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形状记忆合金在航空航天中的应用
自适应智能机翼
➢形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一 项应用。通过形状记忆合金复合材料的传感与驱动功能可直接 导致飞行器结构形状的改变,大大地减轻飞行器的重量。同时 这种飞行器自适应形状结构可以增大航程，减少摩擦，提高空 气弹性变形特性。这是因为自适应智能机翼具有连续的自适应 表面，可以延缓空气分叉，因此可以减少摩擦和增加爬升力。 图为NASA中心制作完成了30%比例的智能机翼模型。在高 速度、等角机翼后缘控制等实飞条件下取得到了成功。
形状记忆合金
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（a）
（b）
（c）
（d）
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一:形状记忆合金的应用背景 二：形状记忆合金的记忆原理 三：形状记忆合金的功能特点 四：形状记忆合金的应用 五：形状记忆合金的发展前景
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形状记忆合金应用背景
想象一下
• 飞机在出现事故如鸟撞击飞机时,飞机能自我修复裂痕。 • 在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自
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形状记忆合金在航空航天中的应用
记忆合金管接头
➢在飞机上通常装有各种不同直径的管道,对于一些异径管接头的连接，形状记忆合 金可以大显身手。 ➢先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向 膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接 的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度） 以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。
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
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形状记忆合金在航空航天中的应用
月面天线
宇宙飞船登月之后,为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上 架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中 几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。
先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很 好），再让天线冷却到28℃以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非 常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达 月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使 环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原 先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。
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形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
➢形状记忆元件具有感温和驱动 双重功能,因此可制作用于航天空 间探索的智能机械手。手指和手 腕靠Ti-Ni合金螺旋弹簧的伸缩 实现开闭和弯曲动作，肘和肩是 靠直线状Ti-Ni合金丝的伸缩实 现弯曲动作。各个形状记忆合金 元件都由直接通上的脉宽可调电 流加以控制。 ➢这种机械手的最大特点是小型 化，非常适于航天的无人操作活 动。其另一个重要特征是动作柔 软，非常接近人手的动作,可完成 许多细腻的工作，如取出鸡蛋等。
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形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
2004年初登上火星的探测机器人“勇气”号、“机遇” 号
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形状记忆合金在航空航天中的应用
记忆铆钉
➢在飞机的制造工艺中,需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。 采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。 它可以在某些很难进行操作的场合(如在密闭真空中), 较容易地实现材料的链 接和紧固。 ➢铆钉尾部记忆成型为开口状,紧固前,将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直,插 入被紧固件的孔中,温度上升产生形状恢复,铆钉尾部叉开即可实现紧固。
➢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。
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形状记忆合金演示实验
(a)
(b)
(c)
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什么是形状记 忆效应？
记忆高温相状态下的形状,即当该材料在 低温下变形后，在加热到较高温度，逆 转变为高温相时，变形可以完全消失， 并恢复到变形前高温相状态下的形态。
这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect 简称SME）。
具有形状记忆效应的材料，称为形状 记忆合金（Shape memory Alloy 简称 SMA）。
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形状记忆合金记忆原理
从微观来看
Gγ Gγ－M
GM GM－γ
Ms
Tc
As
形状记忆效应是热弹性体马氏体相变产生的低温相在加 热时向高温相进行可逆转变的结果。
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形状记忆合金记忆原理
从宏观来看
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形状记忆合金分类
➢ 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：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。
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形状记忆合金在航空航天中的应用
自适应智能旋翼
➢ 形状记忆合金可应用于直升飞机的智能水平旋翼．由于直升飞 机的高震动和高噪声使使用受到限制。其噪声和震动的来源主 要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小差。这就需要一种平衡 叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已 开发出一种叶片的轨迹控制器。它是用一个小的双管形状记忆 合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降 到最低。
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形状记忆合金举例
Ti—Ni 系形状记忆合金:优良的力学性能,生物 相容性好。生物医学材料
铜基系形状记忆合金:易成型、价格低。 应用 广泛
铁基系形状记忆合金：强度高、加Cr 、N i 后 能防腐不锈。 钢管的接头
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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
行封合。 • 我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据外界环
境自我判断、自我适应、自我修复。
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形状记忆合金应用背景
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。