4.1.2 主要几类形状记忆合金
Ti-Ni基形状记忆合金 Cu基形状记忆合金 Fe基形状记忆合金
形状记忆合金的应用
形状记忆合金片断
形状记忆材料 1、Ti-Ni基形状记忆合金
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
Ti-Ni合金通过在1000℃左右固溶后，在400℃ 进行时效处理，再淬火得到马氏体。
形状记忆材料
在Af 温度以上变形，因应力使Ms升高，发生M转 变，应力一旦解除，因Af点低于环境温度，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，即 超弹性。
形状记忆材料
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。
形状记忆效应实验演示片断1
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)。
形状记忆材料 (1) Ti-Ni基记忆合金中的基本相和相变 在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金 属间化合物。
升温
As
母 相
奥 氏 体
0
温度
图7 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
Af——逆转变终止温度
热弹性马氏体实验演示2
形状记忆材料
具有较
具有较
低的对 称性的 正交或 单斜晶
高的对 称性的 立方点 阵
图3 全程形状记忆效应
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
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。
图1 单程形状记忆效应
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。
图2 双程形状记忆效应
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。
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。
冷却 奥氏体(A) 马氏体(M)
加热
钢的马氏体相变不可逆
A 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
冷却
A 加热
M 可逆性
马氏体相变动力学：
G TP M G c P M G n P c M G s
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)。
G T P M — G 母c P 相M 转 变G n P 为 M 马c 氏 G 体s的驱动力
G cTP MG MGP—母驱相动转力变为马氏体的化学
G c P M G n P M c G —s非 变化化学产驱生动的力应变(相能变)时新旧相体积
G n P M0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
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。
本质：应力作用使材料的MS点升高。
应力/MPa 140
120
加载
100
卸载
80
60
40
20
0
270
290 310
MS AS
275K
330 350 温度/K 环境温度
图11 Cu-34.1-Zn-1.8Sn合金Ms与拉伸应力的关系
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）
定值)
形状记忆材料
G
G
P c
G
M c
G T P M G c P M G n P M c G s
M G c P M G n P M c G s
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
电 阻 低 马 Mf
温氏 相体
降温
Ms
Af
系，内
部是孪
晶变形
或层错 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
图9 形状记忆合金晶体结构变化模型