形状记忆合金ppt

纳米材料与新材料Nanometer-Materials&NewMaterialsand（5）材料科学与工程学院2第五讲形状记忆合金ShapeMemoryAlloy3主要内容形状记忆合金的发展形状记忆合金的原理形状记忆合金的分类形状记忆合金的制备形状记忆合金的应用4前言金属具有记忆能力，乍听起来令人不可思议。然而，人们确已获得了这种具有“记忆能力”的金属(ShapeMemeoryAlloy)。人们把SMA合金做成花、鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入不太热的水中，一瞬间，花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动，并且栩栩如生，真如魔术般使人惊叹，这些都是形状记忆合金特异功能的显示。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为65℃-85℃，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。5形状记忆效应实验原始形状拉直加热后恢复变形前形状6•形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，在某一低温下(处于马氏体状态)进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体消失温度Mf)时，材料完全恢复到变形前的初始形状。•具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。形状记忆合金材料7目前，人们对形状记忆效应的物理本质和各种影响因素已经有了较为清晰的认识，形状记忆合金已被确认为一种热驱动的功能材料，人们利用其形状记忆效应，在仪器仪表、电器、自动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程及机器人等领域之中实现广泛应用。81.形状记忆合金的发展9•形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。•德国金属学家Martens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无扩散形状转变为体心立方结构，得到的组织以他的名字被命名为马氏体。板条马氏体钢的淬火10•1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变；随后，俄罗斯的库究莫夫对这种行为进行了研究。他们的研究在当时并没有受到世界的重视。•1951年美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应，随后，在InTi合金中也发现了形状记忆效应。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。11•低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。•1962年，美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，然后在点燃手中雪茄时，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。•1963年，军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应。•NiTi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀好、成本相对低廉等许多特点而引起极大关注。12•1970年人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象，并明确这种现象是能够产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。•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。•现在，人们发现有机弹性材料，甚至陶瓷，都可具有形状记忆的功能。13形状记忆合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度)点合金成分Ms点/℃合金成分Ms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%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/180142.形状记忆合金的原理15热弹性马氏体相变•钢在高温奥氏体相区淬火时，原来的面心立方点阵的奥氏体晶粒内以原子无扩散形式转变成体心立方的马氏体，这就是钢的马氏体相变。•把马氏体开始相变开始和相变结束的温度分别表示为Ms和Mf，把马氏体逆相变(转变成奥氏体)的温度分别表示为As和Af。钢的马氏体转变16•为使P(母相)M(马氏体相)相变产生，M相的化学自由能必须低于P相，•相变需要驱动力，如不过冷到适当低于T0(P相和M相化学自由能达到平衡的温度)的温度Ms，相变不能进行，•逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0的温度As。•To和Ms之差称为过冷废，钢铁马氏体相变的过冷度为200℃左右，形状记忆合金的过冷度为5-30℃。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17•在低于Ms温度下，马氏体片形成以后，界面上的弹性变形是随着马氏体片长大而增大的。•长大到一定程度，弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与相变化学自由能的减少相等，马氏体和母相之间达到一种热弹性平衡状态，马氏体停止长大。•热效应和弹性效应之间的平衡态就是热弹性的由来。CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大)18•温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体又继续长大，也可能出现新的马氏体长大。温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩，故称为热弹性马氏体，相变为热弹性马氏体相变。CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)19形状记忆效应原理•形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够恢复变形，其实质是热弹性马氏体相变。形状记忆合金低温相为马氏体，柔软且易变形；高温相为奥氏体，比较硬。冷却过程中，母相会转变为孪晶马氏体，在外应力下容易变形成某一特定形状；加热时，已发生形变的马氏体会回到原来奥氏体状态。这就是宏观形状记忆现象。呈现形状记忆效应过程的示意图20为了使形状恢复以完全可逆的形式进行，需要具备下列条件:(1)马氏体相变是热弹性；(2)母相和马氏体呈现有序的点阵结构；(3)马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构只能由孪晶和层错组成；(4)马氏体相变在晶体学上是可逆的。21•以上条件根据早期形状记忆材料的特征而提出，•随着形状记忆材料研究的不断深入，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。•不但温度场、应力场可以诱导形状记忆效应，磁场也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。热诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金Magneticfield22相变伪弹性和超弹性•外加应力也可引起马氏体消长。这样形成的马氏体叫应力诱发马氏体，随应力增加或减小，马氏体也相应长大或缩小。•Af温度以上的马氏体只在应力作用下稳定，合金在Af以上进行拉伸，应力除去后，应力诱发马氏体当即逆转变为稳定母相，相变引起的变形即行消失。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，但其应力应变曲线是非线性的，因此称为相变伪弹性，当其应变完全恢复时称为相变超弹性。23•伪弹性仅与应力诱发相变和热弹性相变有关•AB段代表马氏体相的纯粹弹性变形。•B点为应力诱发马氏体的最小应力，到C点相变结束。BC段代表奥氏体向马氏体转变后应变增加；其斜率远小于AB段，说明相变容易进行，•CD段表示相变结束后在应力作用下马氏体发生弹性变形。在D点马氏体开始屈服并发生塑性变形直到E点断裂。伪弹性应力应变示意图24•在D点之前应力被取消，例如在点C’，对应的应变为εc，则通过几步应变可恢复：•首先发生马氏体的弹性恢复，如C’F段所表示。•F点对应的是卸载过程中应力诱发马氏体能够存在的最大应力，在该点开始发生马氏体向奥氏体的逆相变，随后马氏体量不断减少直到奥氏体完全恢复(G点)，即FG段表示马氏体向奥氏体转换后引起的应变恢复，•GH段表示奥氏体的弹性恢复。253.形状记忆合金的分类26合金成分•呈现形状记忆效应的合金，其基本合金系就有10种以上，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100种以上。但是，其中得到实用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基合金。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，或者有些只能在单晶状态下使用，因而不适于工业生产。27•TiNi合金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。TiNi合金由于强度高、塑性大、耐腐蚀性好、稳定性好，尤其是特殊的生物相容性，得到广泛应用，特别是在医学上的应用是其它形状记忆合金所不能替代的。•为使形状记忆合金得到应用，其经济性是一个重要因素。铜基合金价格仅为TiNi合金的l/10，人们希望用它作为TiNi合金的替代品，其中研究最多的是CuAlNi合金和CuZnAl合金。但是，铜基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等比TiNi合金差。因此，在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要求降低成本的情况下使用Cu基合全。28TiNi合金与CuZnAl合金性能对比合金类型TiNi合金CuZnAl合金恢复应变最大8%最大4%恢复应力最大400MPa最大200MPa循环寿命105(ε=0.02)107(ε=0.005)102(ε=0.02)103(ε=0.005)耐蚀性良好不良，有应力腐蚀破坏加工性不良不太好记忆处理较易相当难29•铁基形状记忆合金发展较晚，早期的FePt和FePd合金由于价格昂贵未能得到应用•1982年有关Fe-Mn-Si记忆合金的研究论文的发表，引起了材料研究工作者极大兴趣，目前主要有Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金。•与TiNi合金和铜基合金相比，Fe基合金价格低，加工性能好，力学强度高，在应用方面具有明显的竞争优势，但其形状记忆效应不是很好。•Fe-Ni-Co-Ti合金，预变形超过2%后形状记忆效应下降到40%以下。30形状记忆效应•形状记忆合金的形状记忆效应按形状恢复情况可以分为三类：•单程形状记忆效应•双程形状记忆效应•全程记忆效应形状记忆效应的三种形式(a)单程(b)双程(c)全程31单程记忆效应：将母相在高温下制成某种形状，再将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后对马氏体任意变形，再重新加热至As点以上，马氏体发生逆转变。当温度升至Af点，马氏体完全消失，材料恢复母相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。32•双程记忆效应：若加热时，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称为双程记忆效应，又称可逆记忆效应。33•全程形状记忆效应：这是一种加热时恢复高温形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相的现象。这种现象只有在Ni的原子含量不小于50.5％且又经过时效的Ti-Ni合金中出现。34•把受过强迫时效的四条薄带在其中心位置上以45度的夹角捆扎在一起。如a所示，在约100℃开水中呈现具有凸透镜曲率的近圆形。•从开水中缓慢提起来时自行变化成b形状。•当从热水中完全提上来且于室温下时,变化成近直线形状c。TiNi合金的全程记忆效应100℃-室温35•ac之间的自发形状变化是由马氏体的相变导致。接着浸泡在冰水中时，在下部开始呈现凸透镜曲率，变化成d形状。•在干冰-酒精液中冷却到约-40℃时变化成e形状，同a相比完全是其相反的形状，•然后再次返回到开水中时立刻变化成f形状，其形状与a完全相同。TiNi合金的全程记忆效应低温-100℃364.形状记忆合金的制备和使用37形状记忆处理•形状记忆合金的制备通常是先制备合金锭，之后进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。•制备合金锭时合金元素的配比以及杂质元素的控制十分重要，O、N、C等元素都希望能得到严格控制。•为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状。因此形状记忆处理是实现合金形状记忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。为此要进行一定的热处理(形状记忆处理)。38TiNi合金单程形状记忆处理•单程记忆处理方法有三种中温处理低温处理时效处理•中温处理是将轧制或拉丝加工后充分加工硬化的合金成形给定形状，在400-500℃温度下保温几分钟到几小时，使之记住形状的方法。此方法由于工艺简单而被广泛采用。39•低温处理是在高于800℃的温度下保温后进行快冷使合金材料具有退火状态组织，