关于形状记忆合金的若干论述
摘要：19世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。

这种记忆合金具有很广阔的应用前景，如今记忆合金已然在交通、医疗、自动化控制等方面有了重要的应用。

本文介绍了它的相关概念、微观机理、分类及其在材料学中的地位。

关键字：形状记忆合金；形状记忆效应；功能材料；机理；应用
引言：形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支，可以认为是始于1963年。

当时美国的海军武器实验室的
W.J.Buchler博土研究小组，在一次偶然的情况下发现，TiNi合金工件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能与温度相关。

通过进一步研究，将这种材料制成的细丝的一端弯曲，并靠近点烟火柴火焰，发现弯曲的细丝伸直了，近等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应，并且报道了通过x射线衍射等实验的研究结果．以后TiNi合金作为商品进入市场。

记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，我们把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条向前冲去；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。

在盛着凉水的玻璃缸里，拉长一个弹簧，把弹簧放入热水中时，弹簧又自动的收拢了。

凉水中弹簧恢复了它的原状，而在热水中，则会收缩，弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩，收缩再拉开。

这些都由一种有记忆力的智能金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。

这种材料就叫做记忆金属。

它主要是镍钛合金材料。

一、相关概念：形状记忆效应
一般金属材料收到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性变形，应力消除后就产生了永久变形。

有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。

当材料加热时，材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。

再进行加热或冷却时，形状保持不变，这就是所谓的形状记忆效应，它就像合金记住了高温状态的形状一样。

具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金，因此称为形状记忆合金 [1] 形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。

通
常把马氏体相变中的高温相叫做母相，或奥氏体
相(P)，是一种体心立方晶体结构的CsCl相（又
称B2）。

低温相叫做马氏体相(M)，是一种低对
称性的单斜晶体结构。

从母相到马氏体相的相变
叫做马氏体正相变，或马氏体相变。

从马氏体相
到母相的相变叫做马氏体逆相变 [2][3]。

这类相变具有热滞效应。

四个相变特征温度分别
为马氏体转变开始温度Ms、终了温度Mf、母相转
变(即逆转变)开始温度As和终了温度Af。

热滞
回线间的热滞大小一般为20K～40K[3]。

二、微观机理
当母相奥氏体冷却到低于Ms点温度时，即转变成马氏体。

通过多晶和单晶Cu—Zn合金的实验发现，相变时，马氏体常围绕母相的一个特定位相形成4种变体，合称为一个“马氏体片群”。

变体的惯习面以这一特定位相对称排列。

在光学显微镜下采用偏振光观察，每个马氏体片群具有4种不同颜色，这表征各个变体的位相不同。

之所以形成这种结构，是因为每片马氏体形成时，在其周围的基体中造成了一定方向的应力场，变体欲沿这个方向长大就很困难。

如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成，它将沿阻力小的取向生长，使应变能降低。

宏观上看，由4种变体组成的片群的总应变能趋近于零，此即称为“马氏体相变的自适应现象”。

在通常的形状记忆合金中，根据马氏体与母相的晶体学关系，共有6个片群，24种马氏体变体。

在外力作用下，形状记忆合金可以把马氏体相变自适应相互抵消的变形量提供出来。

这里有两种情况：一种是呈马氏体状态的试样，在单向外力作用下自适应排列的马氏体顺应力方向发生再取向，当大部或全部马氏体都取一个方向时，造成马氏体的择优取向，整个试样呈现明显的形变；另一种是呈母相状态的试样，在单向外力作用下能诱发马氏体相变，所生成的马氏体都顺应力方向作择优取向，整个试佯也会呈现明显的形变。

马氏体择优取向是通过孪生和界面移动实现的。

这种变体的择优生长称为马氏体再取
向过程。

当加热时，在As和Af之间，马氏体发生逆转变。

由于马氏体晶体的对称性低，因此在逆转变时马氏体中只形成几个母相的等效晶体位向，有时只形成一个母相的原来位向。

当母相为长程有序时，形成单一母相原来位向的倾向更大，使马氏体完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也就完全回复。

其过程如图4—2所示。

基于这种机理，形状记忆合金能够记忆各种赋于它的形状，在外界温度变化时，产生形状记忆功能。

三、分类及应用
1、形状记忆合金分为三类：
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。

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。

2、形状记忆合金的具体应用
在形状记忆合金的应用中，最早获得专利的是
美国的Muldawer小组，他们早在1960年就利用
CdAgAu合金制作了温度开关[2]。

自从TiNi合金的
形状记忆效应被发现后，应用开发的速度大大加
快，申请获得专利的项目剧增。

最典型的应用例子
是航天飞机的伞型天线，为方便发射把它压扁附在船体上，飞船升空后受阳光的辐射而升温，于是天线便记忆起原来的形状，重新支起。

此外，形状记忆合
金在机械、电气、运输、化学、能源、宇航、医疗、生活用品等领域都得到了应用[4]。

现今记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，用记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时将管端内全扩大约 4％，装配时套接一起，一经加热，套管收缩恢复原形，形成紧密的接合。

美国海军飞机的液压系统使用了10万个这种接头，多年来从未发生漏油和破损。

船舰和海底油田管道损坏，用记忆合金配件修复起来，十分方便。

在一些施工不便的部位，用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾端自动分开卷曲，形成单面装配件。

记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制，已制成室温自动开闭臂，能在阳光照耀的白天打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。

记忆合金热机的设计方案也不少，它们都能在具有低温差的两种介质间工作，从而为利用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。

现在普遍存在的问题是效率不高，只有 4％～6％，有待于进一步改进。

记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。

例如接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复原形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。

齿科用的矫齿丝，结扎脑动脉瘤和输精管的长夹，脊柱矫直用的支板等，都是在植入人体内后靠体温的作用启动，血栓滤器也是一种记忆合金新产品。

被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止 95％的凝血块流向心脏和肺部。

人工心脏是一种结构更加复杂的脏器，用记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动。

现在泵送水已取得成功。

由于记忆合金是一种“有生命的合金”，利用它在一定温度下形状的变化，就可以设计出形形色色的自控器件，作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。

不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。

如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。

四、结束语
本文对形状记忆合金的概念、基本性能、发展历程及其应用情况进行了简要介绍。

尽管目前对形状记忆合金的研发和应用还不够成熟,但我相信, 随着对形状记忆合金性能的深入研究,随着计算、测试和控制等技术的不断发展, 形状记忆合金的前景必将越来越美好。

五、参考文献
[1]郭卫红，汪济奎．现代功能材料及其应用．化学工业出版社，2002．8
[2] 杨杰，吴月华．形状记忆合金及其应用．中国科学技术大学出版社，1993．5
[3]杨大智主编．智能材料与智能系统．天津大学出版社，2000．12
[4]刘建辉，李宁，文玉华．形状记忆合金的应用．机械，2001，3
[5]王金刚，林成新.Fe—Mn—Si形状记忆合金的摩擦磨损特性，2006，10
[6]俞坚磊,刘今强. 形状记忆功能纤维及纺织品,2008-02
[7]于学勇,潘毅. 马氏体相变温度对NiTi形状记忆合金抗磨损性能的影响
2006-12
[8]陈淑娟,何国球,马行驰,等.Fe-Mn-Si系形状记忆合金研究近况材料导
报,2006,12
[9]袁比飞. 新型磁驱动形状记忆合金研究进展材料工程,2007,2
[10]赵可昕,杨永民.形状记忆合金在建筑工程中的应用. 材料开发与应
用,2007,3
[11]杨凯,辜承林. 21世纪的新型功能材料—形状记忆合金.金属功能材料, 2004, 6。