形状记忆合金的发展和应用

1、形状记忆合金的发展和应用1 .引言形状记忆合金（shape memory al坷,sma）是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性 形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合 金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应（shape memoryeffect, sme）。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料，是集感知与驱动于一体的智能 材料，因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目， 并获得了广泛应用。2 .形状记忆合金的发展历史与现状在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年，美国的g

2、reningerh和moora-than在cu-zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后，前苏联的 kurdiumo、对这种现象进行了研究。1951年，chang和read在au-47. 5at 0 o cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察 到金属形状记忆效应的报道。数年后，burkhart在in-ti合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。 直到1963年，美国海军武器实验室的buehler等人发现等原子比的 ti ni合金具有优良的形状记忆功能，并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金

3、ni-nol ”以后，才引起了人们的广泛兴趣，对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段。二、形状记忆合金的特性形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的材料。这种材料在一定的状态及条件下i经变形，但在加热至超过某一温度，或者卸除载荷后具有回复其原始形状的能力。图i示意地说明形状记忆效应 （以及超弹性效应）的特点。一般合金的 a 一。曲线如图la所 示。在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除后变形消失。但当应力超过 弹性限后，将产生塑性变形，在应力卸除后，材料的变形不能完全消除而有残余变形存 在，即材料不能回复原状。可是，对于形状记忆合金则情况便不相同。当在一定的状态 下施加应力产生百分之

4、几到十几的大变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上一做金解材料延仲量-（c）由训性介位国1记忆效应和超弹性效应的特点示意图时，则变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应（图1b ）。如果加 载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生 的大变形量无需加热只在卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应（图1c ） o形状记忆合金一般兼具有这两种特性。不论形状记忆效应还是超弹性效应，它们的机制是相同的，即都是以马氏体发生逆向转变形成其母相（奥氏体）而使形状得到恢复为基础的。这种现象的发生同温度、应力有 密切的关系。图2定性地表明这一关系。在图中，ab线乃是ms点与应力（诱发马氏

5、体形成的临界应力）的关系。cd线是在合金中发生滑移变形的临界应力。由此图可以看出，在高温区出现的是超弹性效应；在低温区出现的是形状记忆效应；中间部分是两种效应的重合地带。形状记忆现象早在研究 au-cd合金的相变时就已发现，并确认为是热弹性马氏体可逆转变的结果。但直到 1960年，美国海军兵器实验室制成niti记忆合金后，才开拓了形状记忆合金在工业技术上应用的新纪元。从此之后，记忆合金的研究和应用获得了大幅度 的进展。在机械、计算机、机器人、能源等工业部门以及在医疗方面都获得了多方面的应 用，取得了满意的效果。三、形状记忆合金的发展最近的研究表明，这种合金不仅发生m相变，而且还发生 r （ r

6、homb,菱形结构）相变。这种r相变所产生的记忆效应同 m相变所产生的记忆效应有所不同 （表3）。由表3可以看出，m相变的记忆回复量及回复应力虽大，但温度滞后量也大。而 r塞3niti合金的相变形式和记忆效应项 n相变形状回完讯最大九5%回复应力最大陋ompa温度滞后量2035七动作温度范围b0tc疲劳寿命104r相变最大i物 最大1.23需 07 017c1及n1 （毗馨）相变的记忆回复量及回复力虽小，但温度滞 后量也小。相应地后者的疲劳寿命高，这对 于作为执行机构的记忆材料是非常关键的。记忆合金的一个重要特征是其回复温度（af温度）0 niti合金的回复温度约为30 1000g图1）。为了

7、获得具有更低回复温度的合金，在 niti合金中加入co,可 使回复温度降至一 loc ,从而使niti系记 忆合金的使用范围可以扩展至更低的温区。为了降低niti合金的价格，改善其加工性和记忆特性，还开发了 ni-ti-v及ni-ti-cu等合金。 2.铜基形状记忆合金与其一是价格便宜（只及后者的1/5 1/to ）。其次是制造工坳便热加患性优良,好其导热、导电性均较 n if i合金为高，而且具有相变温度 m5）的融叫则宽（niti合金为一 5 0 i 00 0c,而cu基合金则为一 100 1000c ）的优点.。殁看屋附烙除塑性不足，容易发生脆断，疲劳寿命也低。其主要原因是由于铜岬&晶,

8、体的耐心渝f一 异性大。以cu-a1-ni合金为例，其弹性各向异性a=2cl券混破心由3（乂之间的关系中，cm, cia及c石e为单晶体的弹性常数)，而niti合金晶体的a=23, a值大，则 晶体取向不同时的弹性应变差异就大。为了在晶界上保持连续性，在该处的应力集中现 象就特别明显，如果晶粒也大时，则很容易产生沿晶界的破坏。为此，要采取各种措施(粉末冶金法、急冷凝固法以及添加微量元素等)使铜合金的晶粒细化(达到几微米至十几或儿十微米)。经过细化晶粒的铜合金，其断裂应力、疲劳寿命都有很大的改善。其次，为了改善铜基记忆合金在较高温度下使用的性能，在 cu-a-ni的基础上研制了cu-12a1-5

9、ni-2mn-1ti的新型铜基记忆合金 (其中ti有细化晶粒作用),它可在1000c 以上的高温稳定地长期地工作。2.铁基形状记忆合金最近日本研制成功了fe基形状记忆合金(fe-m n-si合金)。一般，铁基合金的马氏休相变县非热弹性的。非可逆的原子位移不可能产生明显的记忆效应。但在fe基合会中的y(fcc)-se(yacp)马l羌体相变的晶格对应性好，不伴随大的体积变化。相变时可能产生可逆性的原子位移，一因而是具有记 但这种马氏体相变不是在冷却时发生， 力诱发马氏体转变。在施加应力时使丫一。 铁基合金的记忆机制。cr.效应钓马氏体相变。而是在m。点以上施加应力下发生的，即应 ,加热时发生。丫

10、相变，回复原状。这就是匚业上整状恢兑的1:北上形状慨复的医疗上稻状一次性可川反复利用饰更的利用紧固件耳麾传哨需泊辟燕圄亚桂过城耨管槎支调中室内科度海忸翼通矫出棒宇宙飞行器用氏或器室腐肝闭斑腑轴产未用夹子火况报警繇汽车般热器封序帧离台器人造心iul人母肾晌解瞋印片电晶概的比畲热能转变装置件所部1固定央植集威电踹的焊接热电里电器的控制元件矫正牙齿用携性金属城电罂的正接落夹板记录留用七期功能置人造牙棍粼封坏机脓机器人人造美节表1出状记忆合金的部分应用实例fe-ivi n-si合金中的mn在28人32肠之间，si在6肠左右。这种合金的记忆性是单i性的，形状回复力也比niti合金为小(约为29.ivif

11、a ,而niti合金名勺为588mpa ),形状回复温度也高(125c以上)。但这种合金的制造容易，成本比 niti合金为低，在高 温下可以使用。、所以作为形状记忆结构材料是很有发展前途的。总之，形状记忆合金的性能在不断完善，合金的品种在不断增加，这类合金在新型 工业技术中的应用潜力很大。在我国，形状记忆合金的应用还很有限，今后应引起人们 的重视。四、形状记忆合金的应用迄今发现具有形状记忆效应的合金系已达二十 余种，但其中已得到实际应用的还仅局限于ti-ni和c zn al合金系(c al ni及fevin-si系记忆合金 也在开发应用中)。目前，形状记忆合金在电子、机 械、能源、宇航、土木、

12、汽车、医疗及日常生活等领域 都得到了广泛应用7, a,表1列举了形状记忆合金 的部分应用实例，下面择其典型应用加以概述。参考文献1e . hornbogen, metall, 41, hef t 5(1987)p.488-4932c . garretson d . stockel, metall, 41, hef t 1(1987)p.22-25 3p.tautzenberger, d.stockel, 1vieta11, 41, heft 1(1987)p . 26 -0 32 4d.stockel, metall, 41, hefts(1987)p.494-5005田中良平，热处理，26卷

13、1号(1986) p.9 156中西典彦，日本金属学会会报，i1卷b号(1972 ) p.435a44i7杉本孝一，铁七钢，14 号(1974)p.127-1438 c.m.wayrnan ,日本金属学会会报，19 卷 5 号(1986 ) p.3233329铃木雄一，工亚材料，34卷11号(1987)p.2b3110田部井和彦，工业材料， 34卷11号(i0987 ) p.32-3b31l松浦保，工业材料，34卷11号(1987)p.3741、一冷ci27 植木英吉工业材料i3 松田昭一工业材料14 清水孝纯工业材料34 卷 11 号(1987)p . 43-0 4ff34 卷 11 号(1 x87 )