冷却
A
加热
M
可逆性
马氏体相变动力学：
G T
GT
PM
PM
G
PM c
G
PM nc
Gs
PM PM 母相转变为马氏体的驱动力 — G G Gs c nc
Gc T
PM
G M G P —母相转变为马氏体的化学
驱动力
PM c
PM —非化学驱动力(相变时新旧相体积 Gnc G s 变化产生的应变能)
形状记忆材料 单程形状记忆效应——材料在高温下制成某种形状， 在低温相时将其任意变形， 再加热时恢复为高温相形状， 而重新冷却时却不能恢复低 温相时的形状。
图1 单程形状记忆效应
（a）未拉长
(b) 被拉长后
(c)放入热水后恢复原长
图23 单程TiNi记忆合金簧的动作变化情况
形状记忆材料 双程形状记忆效应——加热时恢复高温相形状，冷 却时恢复低温相形状，即通 过温度升降自发可逆地反复 恢复高低温相形状的现象， 或称为可逆形状记忆效应。
具有较 高的对 称性的 立方点 阵
热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。
形状记忆效应的实质： 是在温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、 变化、消失的相变过程的宏观表现。
原子排列面的切应变
结构相同，位相 不同的马氏体
变形前后M 结构未变
变体界面移动， 相互吞食
图8 形状记忆效应机制示意图
形状记忆材料
（a）没放入热水前
(b) 放入热水后
(c)凉至室温后
图 高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况
形状记忆材料 全程形状记忆效应——当加热时恢复高温相形状，冷 却时变为形状相同而取向相反 的高温相形状的现象。只能在 富镍的Ti- Ni合金中出现。
图3 全程形状记忆效应

(a) 放入热水前
本质：应力作用使材料的MS点升高。
应力/MPa 140 加载 卸载
120 100 80
60 40 20 0 270
第四章 形状记忆材料与智能材料
教学重点： 形状记忆效应 形状记忆合金和形状记忆陶瓷的性能特点 智能材料的概念及基本结构
形状记忆材料和智能材料
4.1 形状记忆材料 4.2 智能材料
形状记忆材料和智能材料
Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线
形状记忆材料 具有形状记忆效应的材料——形状记忆材料 形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME) 形状记忆效应——将材料在一定条件下进行一定限度 以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失 而回复到变形前的形状的现象。
Af
升温
As
0
图7
温度
随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化
Ms——冷却时产生热弹性马氏体的起始温度 Mf——冷却时转变的终止温度 As——升温时逆转变的起始温度 热弹性马氏体实验演示1 热弹性马氏体实验演示2 Af——逆转变终止温度
形状记忆材料 具有较 低的对 称性的 正交或 单斜晶 系，内 部是孪 晶变形 或层错
图9 形状记忆合金晶体结构变化模型
超弹性或伪弹性
超弹性片段演示
图10
形状记忆合金发生超弹 性变形的应力应变曲线 (Af温度以上加载）
应力诱发马氏体相变
在T0与Ms之间的某一温度对合金施加外力也可引 起马氏体转变。
应力诱发马氏体演示片断1
应力诱发马氏体演示片断2
由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱 发马氏体相变 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。
形状记忆材料
4.1.1 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。 普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加 热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷 却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。
A
冷却
奥氏体(A) 加热 钢的马氏体相变不可逆 马氏体(M)
(b) 放入热水后
(c) 得到一定回复后的形状
(d) 进一步回复后的形状 图
(e) 冷至室温后
全程TiNi记忆合金花的动作变化情况
形状记忆材料
4.1.1 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
4.1.2 主要的几类形状记忆合金 4.1.3 形状记忆陶瓷
图2 双程形状记忆效应
（a）没放入热水前 图
(b) 放入热水后 划水型热机的动作变化情况
(c)凉至室温后
（a）没放入热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后 图 高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况
高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧 该弹簧也是用CuZnAl记忆合金丝绕制成的，同样利用了 形状记忆合金的双程记忆效应，亦是一种随温度的变化可自行伸 缩的感温驱动元件。这种簧亦充分展示了工业用形状记忆合金元 件的典型结构形式。 以热水或热风为热源，伸缩温度为65℃-85℃，自由状态 即低温（室温）时为200mm，缩短状态即高温（65℃-85℃）时为 100mm。其动作变化情况见图。
PM c
Gs
—弹性应变能以外的相变阻力(近似为 定值)
形状记忆材料 G
GcP
GT
PM
GcM
PM GcPM Gnc Gs
PM GcPM Gnc Gs
MS T0
T
图6 马氏体相变驱动力与温度的关系
热弹性马氏体随温度变化的相变过程 降温
电 阻
Ms 低 马 Mf 温氏 相体 奥 母氏 相体
M
图4 45＃钢淬火工艺曲线
a) 奥氏体(多边形等轴晶粒)
b)板条状马氏体
图5 奥氏体与马氏体金相显微组织
形状记忆材料 在某些合金中发现热弹性马氏体相变： 马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度 回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来 的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长 大或缩小——热弹性马氏体
形状记忆材料 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。
形状记忆材料
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