形状记忆合金课件.ppt
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- 形状 记忆 合金 课件
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1、Shape Memory Alloyn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。n德国金属学家德国金属学家Martens发现:钢在奥氏体高温区淬发现: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子火时,原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散无扩散形式转变形式转变为体心立方结构,得到的组织以他的名字为体心立方结构,得到的组织以他的名字被命名为被命名为马氏体马氏体。n 1938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合金合金中发现了马氏体的中发现了马氏体的热弹性转变热弹性转变,他们的研究在当时,他们的研究在当时并没有受到世
2、界的重视;并没有受到世界的重视;n1951年,美国的里德等人在年,美国的里德等人在Au-Cd合金的研究中合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应;首次发现该合金具有形状记忆效应;n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。n这些合金价格昂贵,难以实现应用,人们开始寻找成这些合金价格昂贵,难以实现应用,人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。本低廉的形状记忆合金。n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。n19621962年,美国的一个空军基地为研制一种耐海水腐年,美国的一个空军基地为研制一种耐海水腐蚀的合金而进行样品鉴定时
3、,蚀的合金而进行样品鉴定时,就发现弯曲着的镍钛合就发现弯曲着的镍钛合金片能自动伸张开来,在场人员无不瞠目结舌。经过金片能自动伸张开来,在场人员无不瞠目结舌。经过一番研究之后,一番研究之后,才发现秘密就在研究人员手上拿的烟才发现秘密就在研究人员手上拿的烟斗之中。斗之中。烟丝燃烧产生的热引起了金属片的伸展。烟丝燃烧产生的热引起了金属片的伸展。n1963年,军械研究所宣布在年,军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形合金丝中发现了形状记忆效应。状记忆效应。nNiTi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好、成本合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀性好、成本相对低廉等许多特点相对低廉等许多特点而引起极大关注,人们
4、开始考而引起极大关注,人们开始考虑形状记忆合金的广泛应用。虑形状记忆合金的广泛应用。1970年,人们又在成年,人们又在成本更为低廉的本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象,合金中也发现形状记忆现象,并并明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性所共有的特性。n以此为转折点,迄今人们己在许多合金中相继发现以此为转折点,迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象,如表所示。这种现象,如表所示。n现在,人们发现一些现在,人们发现一些有机高分子材料、无机陶瓷等有机高分子材料、无机陶瓷等都具有形状记忆的功能。都具有形状记忆的功能。表表1 形状记
5、忆合金的成分范围和形状记忆合金的成分范围和Ms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-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180
6、/-10MoCu5-35at%Cu-250/180n形状记忆效应形状记忆效应:具有一定形状的固体材料:具有一定形状的固体材料(通常是通常是具有具有热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变的材料的材料),在某一温度下,在某一温度下(处于马氏体状态处于马氏体状态Mf)进行一定限度的塑性变形后,进行一定限度的塑性变形后,通过加热到某一温度通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消通常是该材料马氏体完全消失温度失温度Af)上时,上时,材料恢复到变形前的初始形状材料恢复到变形前的初始形状。热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变n面心立方的奥氏体晶粒内的原子经面心立方的奥氏体晶粒内的原子经无扩散位移无扩散位移,产生,
7、产生形状改变和表面形状改变和表面浮凸浮凸,这种呈现,这种呈现不变平面特征不变平面特征的的一一级相变、形核长大型相变级相变、形核长大型相变称为称为马氏马氏体相变体相变,相变后形成体心立方的马,相变后形成体心立方的马氏体。氏体。n把马氏体相变开始和相变结束的温把马氏体相变开始和相变结束的温度表示为度表示为Ms和和Mf,把马氏体逆相,把马氏体逆相变变(转变成奥氏体转变成奥氏体)的温度表示为的温度表示为As和和Af。图图2 钢的马氏体转钢的马氏体转变变图图3 马氏体相和母相化学自由能差随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温度变化与马氏体相变的关系 热驱动力与弹性能平衡,称之为热驱
8、动力与弹性能平衡,称之为热弹性平衡热弹性平衡,此时,此时马氏体将停止生长。热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体马氏体将停止生长。热弹性马氏体与钢中的淬火马氏体不一样,通常它比母相还软。不一样,通常它比母相还软。热弹性马氏体箭状形貌热弹性马氏体箭状形貌的明场像的明场像图图5 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小马氏体缩小)图图4 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大马氏体长大)形状记忆效应原理形状记忆效应原理n形状记忆合金在一定范形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后,围内发生塑性变形后,经加热到某一温度后
9、能经加热到某一温度后能够恢复变形,够恢复变形,实质是热实质是热弹性马氏体相变弹性马氏体相变。n马氏体在外力下变形成马氏体在外力下变形成某一特定形状,加热时某一特定形状,加热时已发生形变的马氏体会已发生形变的马氏体会回到原来奥氏体状态,回到原来奥氏体状态,这就是宏观形状记忆现这就是宏观形状记忆现象,如右图所示。象,如右图所示。图图6 6 形状记忆效应形状记忆效应过程的示意图过程的示意图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;马氏体点阵的不变切变为孪生,马氏体点阵的不变
10、切变为孪生,亚结构为孪晶或亚结构为孪晶或层错层错;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。n随着形状记忆材料研究的不断深入,随着形状记忆材料研究的不断深入,发现不完全发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。n温度场温度场可以诱导形状记忆效应,可以诱导形状记忆效应,磁场、应力场磁场、应力场等等也可诱导马氏体相变,出现形状记忆效应。也可诱导马氏体相变,出现形状记忆效应。图图7 传统热诱导形状记忆合金传统热诱导形状记忆合金Magnetic field图图8 磁诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金The magnetic moment
11、s without the external field The rotation of the magnetic moments within the twins The redistribution of the twin variants 利用磁场对合金中的马氏体变体施加静磁力,利用磁场对合金中的马氏体变体施加静磁力,促使促使有利取向的马氏体变体长大,吞并不利取向的变体有利取向的马氏体变体长大,吞并不利取向的变体(表现表现为孪晶界的移动为孪晶界的移动),从而产生宏观变形;磁场强度减小或,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。撤去时,孪晶界又回到初始位置。相变伪弹性
12、和超弹性相变伪弹性和超弹性n外加应力也可引起马氏体消长,这样形成的马氏外加应力也可引起马氏体消长,这样形成的马氏体叫体叫应力诱发马氏体应力诱发马氏体(SIM)。nAf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;应力除去后,应力诱发马氏体当即逆转变为稳定母相应力除去后,应力诱发马氏体当即逆转变为稳定母相,相变引起的变形消失。,相变引起的变形消失。n这种不通过加热即恢复到原先形状的相变,看起这种不通过加热即恢复到原先形状的相变,看起来像弹性变形,但其来像弹性变形,但其应力应变曲线是非线性的应力应
13、变曲线是非线性的,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。图图9 9 伪弹性应力应变示意图伪弹性应力应变示意图合金成分合金成分n呈现形状记忆效应的合金,其基本合金系就有呈现形状记忆效应的合金,其基本合金系就有10种种以上,如果把相互组合的合金或者添加适当元素的以上,如果把相互组合的合金或者添加适当元素的合金都算在内,则有合金都算在内,则有100种以上种以上。n得到实际应用的只有得到实际应用的只有Ti基合金、基合金、Cu基合金以及基合金以及Fe基基合金合金。n其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致价格昂贵
14、,或者有些只能在单晶状态下使用,不适价格昂贵,或者有些只能在单晶状态下使用,不适于工业生产。于工业生产。nTiNi合金合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆性能最好的合金材料。性能最好的合金材料。TiNi合金合金强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好,具有强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好,具有优异的生物相容性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n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
15、能等都比TiNi合金差,合金差,但价格仅为但价格仅为TiNi合金的合金的l/10,在性能要求不高、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下反复使用次数少,特别是要降低成本的情况下使用;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,在应用方在应用方面具有明显的竞争优势,但其面具有明显的竞争优势,但其形状记忆效应不是很好形状记忆效应不是很好。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(=0.005
16、)102(=0.02)103(=0.005)耐蚀性耐蚀性良好良好不良,有应力腐蚀破不良,有应力腐蚀破坏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表表2 TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对比合金性能对比形状记忆效应形状记忆效应n形状记忆合金的形状形状记忆合金的形状记忆效应按形状恢复记忆效应按形状恢复情况可以分为三类:情况可以分为三类:n单程形状记忆效应单程形状记忆效应n双程形状记忆效应双程形状记忆效应n全程记忆效应全程记忆效应冷却冷却图图10 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(a)马氏体状态下未变形)马氏体
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