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1、第五章第五章 形状记忆合金形状记忆合金 Shape Memory Alloy1一类参考主要内容主要内容形状记忆合金的发展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原理形状记忆合金的分类形状记忆合金的分类形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用2一类参考主要要求主要要求了解形状记忆合金的发展历程了解形状记忆合金的发展历程掌握与形状记忆合金有关的几个基本概念（马氏体掌握与形状记忆合金有关的几个基本概念（马氏体与奥氏体，马氏体相变、马氏体逆相变，伪弹性与奥氏体，马氏体相变、马氏体逆相变，伪弹性/ /超超弹性，热弹性马氏体、应力诱发马氏体、应力弹性弹性，热弹性马氏体、应力诱发马氏体、应力弹性马氏体
2、，马氏体，M Ms s、M Mf f、A As s、A Af f）理解形状记忆效应的三种形式及其特点理解形状记忆效应的三种形式及其特点熟悉典型形状记忆合金及其基本特点熟悉典型形状记忆合金及其基本特点理解形状记忆效应与伪弹性出现的条件理解形状记忆效应与伪弹性出现的条件了解形状记忆合金的应用了解形状记忆合金的应用3一类参考金属具有记忆能力金属具有记忆能力人人们们把把具具有有“记记忆忆能能力力”的的合合金金(Shape Memeory AlloySMA)做做成成花花、鸟鸟、鱼鱼、虫虫等等各各种种造造型型，只只要要浸浸入入一一定定温温度度的的水水中中，可可以以出出现现花花开开放放，鸟鸟展展翅翅，鱼鱼摆
3、摆尾尾，虫虫蠕蠕动动等等现现象象，栩栩栩栩如如生生，如如魔魔术术般般使使人人惊叹。惊叹。用用CuZnAl记忆合金片制备的记忆合金片制备的金属花，以热水或热风为热金属花，以热水或热风为热源，开放温度为源，开放温度为65-85，闭合温度为室温，花蕾直径闭合温度为室温，花蕾直径80mm，展开直径展开直径200mm。4一类参考人人们们对对形形状状记记忆忆效效应应的的物物理理本本质质及及其其影影响响因因素素已已有有较较为为清清晰晰的的认认识识，形形状状记记忆忆合合金金已已被被确确认认为为一一种种热热驱驱动动功功能能材材料料，人人们们利利用用其其形形状状记记忆忆效效应应，在在仪仪器器仪仪表表、自自动动控控
4、制制、航航空空航航天天、医医疗疗器器具具、汽汽车车工工程程以以及及机机器器人人等领域中实现广泛应用。等领域中实现广泛应用。形状记忆形状记忆合金的应用合金的应用5一类参考形状记忆合金的发展形状记忆合金的发展 6一类参考形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。德国金属学家德国金属学家Martens发现：钢在奥氏体高温区发现：钢在奥氏体高温区淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内原子以淬火时，原来面心立方的奥氏体晶粒内原子以无无扩散形式转变扩散形式转变为体心立方结构，得到的组织以他为体心立方结构，得到的组织以他的名字命名为的名字命名为马氏体马氏体。 板条马氏体板条马
5、氏体钢的淬火钢的淬火7一类参考1938年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在年，美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合合金中发现了马氏体的金中发现了马氏体的热弹性转变热弹性转变，他们的研究在，他们的研究在当时并没有受到世界的重视；当时并没有受到世界的重视；1951年，美国的里德等人在年，美国的里德等人在Au-Cd合金的研究中合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应；首次发现该合金具有形状记忆效应；随后，在随后，在InTl合金中也发现了形状记忆效应。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。找成本低廉的形状
6、记忆合金。 8一类参考低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。1962年年，美美国国海海军军军军械械研研究究所所将将NiTi合合金金作作为为对对温温度度敏敏感感的的振振动动衰衰减减合合金金加加以以研研究究，在在讨讨论论该该项项研研究究经经费费分分配配时时，某某一一成成员员用用手手将将这这种种材材料料制制成成的的细细丝丝一一端端弯弯曲曲，无无意意中中靠靠近近手手中中点点燃燃的的雪雪茄茄，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。1963年年，军军械械研研究究所所宣宣布布在在NiTi合合金金丝丝中中发发现现了了形状记忆效应。形状记忆效应。
7、NiTi合合金金具具有有强强度度高高、塑塑性性大大、耐耐腐腐蚀蚀性性好好、成成本本相相对对低低廉廉等等许许多多特特点点而而引引起起极极大大关关注注，人人们们开开始考虑形状记忆合金的广泛应用。始考虑形状记忆合金的广泛应用。9一类参考1970年年，人人们们又又在在成成本本更更为为低低廉廉的的CuAlNi合合金金中中也也发发现现形形状状记记忆忆现现象象，并并明明确确这这种种现现象象是是能能产产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性。以以此此为为转转折折点点，迄迄今今人人们们己己在在许许多多合合金金中中相相继继发发现这种现象，如表所示。现这种现象，如表所示。现现在在，
8、人人们们发发现现一一些些有有机机高高分分子子材材料料、无无机机陶陶瓷瓷等等都具有形状记忆的功能。都具有形状记忆的功能。10一类参考形状记忆合金的成分范围和形状记忆合金的成分范围和Ms(马氏体相变开始温度马氏体相变开始温度)点点合金合金成分成分Ms点点/合金合金成分成分Ms点点/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%Au
9、 45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/18011一类参考形状记忆合金的原理形状记忆合金的原理12一类参考Fe在在910以下为体心立方晶格结构的以下为体心立方晶格结构的-Fe，910以上为面心立方晶格结构的以上为面心立方晶格结构的-Fe。碳溶解到碳溶解到-Fe中形成的固溶体为中形成的固溶体为铁素体铁素体(F)；碳溶解；碳溶解到到-Fe中形成的固溶体为中形成的固溶体为奥氏体奥氏体(A)；如果奥氏体；如果奥氏体以较大的
10、冷却速度过冷以较大的冷却速度过冷，奥氏体中的碳原子没有扩，奥氏体中的碳原子没有扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体，称为固溶体，称为马氏体马氏体(M)。由于含碳量过饱和，马氏体的强度和硬度高、塑性由于含碳量过饱和，马氏体的强度和硬度高、塑性低，脆性大。低，脆性大。奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体13一类参考铁碳相图铁碳相图14一类参考马氏体相变马氏体相变 最早把钢中由最早把钢中由奥氏体（母相）转变为马氏体奥氏体（母相）转变为马氏体的的相变称为马氏体相变。相变称为马氏体相变。 材料组织的广泛材料组织的广泛基本特征基本特征属属马氏体相变型马氏
11、体相变型的相变产物统称为马氏体。的相变产物统称为马氏体。马氏体逆相变马氏体逆相变 马氏体相变具有可逆性，由马氏体向母相的相马氏体相变具有可逆性，由马氏体向母相的相转变过程，称为马氏体逆相变。转变过程，称为马氏体逆相变。 马氏体相变和马氏体逆相变马氏体相变和马氏体逆相变15一类参考1) 1) 结晶学特征：马氏体是沿母相的惯习面生长并结晶学特征：马氏体是沿母相的惯习面生长并与母相保持一定的取向关系，形成共格晶界与母相保持一定的取向关系，形成共格晶界2) 2) 相变时不发生扩散，原子只做有规则的重排而相变时不发生扩散，原子只做有规则的重排而不进行扩散。不进行扩散。 3) 3) 马氏体转变速度很快，有
12、时速度高达声速。马氏体转变速度很快，有时速度高达声速。4) 4) 马氏体相变没有一个特定的温度，而是在一个马氏体相变没有一个特定的温度，而是在一个温度范围内进行。温度范围内进行。马氏体相变特点马氏体相变特点16一类参考形形状状记记忆忆效效应应：具具有有一一定定形形状状的的固固体体材材料料( (通通常常是是具具有有热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变的的材材料料) )，在在某某一一温温度度下下( (处处于于马马氏氏体体状状态态Mf) )进进行行一一定定限限度度的的塑塑性性变变形形后后，通通过过加加热热到到某某一一温温度度( (通通常常是是该该材材料料马马氏氏体体完完全全消消失失温度温度Af)上时，材
13、料恢复到变形前的初始形状上时，材料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具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。17一类参考形状记忆效应实验形状记忆效应实验原始形状原始形状拉直拉直加热后恢复变形加热后恢复变形前形状前形状18一类参考热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变具具有有马马氏氏体体逆逆相相变变，且且Ms与与As点点相相差差很很小小的的合合金金，将将其其冷冷却却到到Ms点点以以下下，马马氏氏体体晶晶核核随随温温度度下下降降逐逐渐渐长长大大，温温度度回回升升时时马马氏氏体体片片又又反反过过来来同同步步地地随随温温度度上上升升而而缩缩小小，此此种种马马氏氏体体称称热热弹弹性
14、性马马氏氏体体（在在冷冷却却转转变变与与加加热热逆逆转转变变时时呈呈弹弹性性 长长大大与与缩缩小小的的马马氏氏体）体）钢的马氏体转变钢的马氏体转变19一类参考为为使使A(母母相相)-M(马马氏氏体体相相)相相变变产产生生，M相相的的化化学学自自由能必须低于由能必须低于A相相。相相变变需需要要驱驱动动力力，不不过过冷冷到到适适当当低低于于T0(A相相和和M相相化学自由能达到平衡化学自由能达到平衡)的温度，相变不能进行，的温度，相变不能进行，逆逆相相变变也也需需驱驱动动力力，必必须须过过热热到到适适当当高高于于T0的的温温度度，相变才能进行。相变才能进行。马氏体相和母相化学马氏体相和母相化学自由能
15、差随温度变化自由能差随温度变化与马氏体相变的关系与马氏体相变的关系20一类参考马氏体与母相平衡的热力学条件马氏体与母相平衡的热力学条件G M 21一类参考从图中可以可以看出:(1)从 到M的转变, 在Ms左边,随着温度降低,G M 增大,马氏体开始生成。（低温相开始形成。）(2)从M 到的转变, 在As右边,随着温度升高,G M 增大,奥氏体开始生成。（即高温相开始形成。）22一类参考低低于于Ms温温度度下下，马马氏氏体体形形成成以以后后，界界面面上上的的弹弹性性变变形随着马氏体的长大而增加；形随着马氏体的长大而增加；当当表表面面能能、弹弹性性变变形形能能及及共共格格界界面面能能等等能能量量消
16、消耗耗的的增增加加与与相相变变化化学学自自由由能能的的减减少少相相等等时时，马马氏氏体体和和母母相间达到相间达到热弹性平衡状态热弹性平衡状态，马氏体停止长大。，马氏体停止长大。CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大马氏体长大)23一类参考温温度度继继续续下下降降，马马氏氏体体相相变变驱驱动动力力增增加加，马马氏氏体体又又继续长大，也可能出现新的马氏体生长。继续长大，也可能出现新的马氏体生长。温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩。温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩。热热效效应应和和弹弹性性效效应应之之间间的的平平衡衡态态是是热热弹弹性性的的
17、由由来来，具具有有这这种种行行为为的的马马氏氏体体为为热热弹弹性性马马氏氏体体，相相变变为为热热弹性马氏体相变弹性马氏体相变。CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小马氏体缩小)24一类参考应力诱发马氏体应力诱发马氏体：在：在M Ms s以上某一温度对合金施加以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。诱发马氏体。应力弹性马氏体应力弹性马氏体：有些应力诱发马氏体也属弹性：有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体
18、缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。弹性马氏体。25一类参考形状记忆效应原理形状记忆效应原理 有序点阵结构的母相与马氏体相变的有序点阵结构的母相与马氏体相变的孪生结构孪生结构具具有共格性，在母相有共格性，在母相马氏体马氏体母相的转变循环中，母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状，这就是单程记忆效应的原因。母相完全可以恢复原状，这就是单程记忆效应的原因。马马氏氏体体相相变变产产生生结结构构相相同同、位位向向不不同同的的马马氏氏体体变变体体由由于于相相邻邻变变体体可可协协调调生生成成，微微观观上上相相变变应应变变相相互互抵抵消消无无宏宏
19、观观变变形形（马马氏氏体体片片群群、2424种种马马氏氏体体变变体体、自自适适应应现象）现象）26一类参考形状记忆机理形状记忆机理马氏体受外力作用时，相对于外应力有利的变体将马氏体受外力作用时，相对于外应力有利的变体将择择优长大优长大，不利的变体，不利的变体缩小缩小，变体，变体重新取向，重新取向，相互吞食，相互吞食，变体界面移动，形成变体界面移动，形成马氏体单晶马氏体单晶，出现宏观变形；，出现宏观变形； 由于变形前后马氏体结构没有变化，当去除外力时，由于变形前后马氏体结构没有变化，当去除外力时，无形状改变；无形状改变；当加热发生逆相变，热弹性马氏体通过逆转变恢复到当加热发生逆相变，热弹性马氏体
20、通过逆转变恢复到母相形状。母相形状。 双程和全程记忆效应机理比较复杂，有许多问题尚双程和全程记忆效应机理比较复杂，有许多问题尚未搞清。未搞清。27一类参考28一类参考马氏体的形变和加热后的形状记忆马氏体的形变和加热后的形状记忆29一类参考30一类参考形状恢复完全可逆形状恢复完全可逆需具备以下条件：需具备以下条件：马氏体相变是马氏体相变是热弹性热弹性的；的；母相和马氏体呈现母相和马氏体呈现有序的点阵结构有序的点阵结构；马马氏氏体体点点阵阵的的不不变变切切变变为为孪孪生生，亚亚结结构构为为孪孪晶晶或或层层错错；马氏体相变在晶体学上是马氏体相变在晶体学上是可逆的可逆的。31一类参考随随着着形形状状记
21、记忆忆材材料料研研究究的的不不断断深深入入，发发现现不不完完全全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。温温度度场场可可以以诱诱导导形形状状记记忆忆效效应应，磁磁场场、应应力力场场等等也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。传统热诱导形状记忆合金传统热诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金Magnetic field32一类参考超弹性超弹性超弹性超弹性( ( ( (superelasticitysuperelasticity) ) ) )变形变形变形变形 对对对对母母母母相相相相状状状状态态态态的的的的
22、样样样样品品品品在在在在A Af f温温温温度度度度以以以以上上上上施施施施加加加加外外外外力力力力，随随随随外外外外力力力力增增增增加加加加，样样样样品品品品首首首首先先先先发发发发生生生生遵遵遵遵循循循循虎虎虎虎克克克克(Hook)(Hook)定定定定律律律律的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形。应应应应力力力力超超超超过过过过弹弹弹弹性性性性极极极极限限限限后后后后，随随随随应应应应力力力力的的的的缓缓缓缓慢慢慢慢增增增增加加加加，样样样样品品品品的的的的应应应应变变变变显显显显著著著著增增增增加加加加，在在在在一一一一定定定定的的的的应应应应变变变变范范范范围围围围内内内内卸卸卸卸
23、载载载载，应应应应变变变变会会会会完完完完全全全全消消消消失失失失，如如如如同同同同弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形，但但但但其其其其应应应应变变变变量量量量远远远远远远远远超超超超出出出出通通通通常常常常意意意意义义义义上上上上的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形，称称称称之之之之为为为为超超超超弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形。其其其其实实实实质质质质与与与与弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形不不不不同同同同，故故故故又又又又称称称称它为它为它为它为相变伪弹性相变伪弹性相变伪弹性相变伪弹性(pseudoelasticity(pseudoelasticity，PE)PE)变形变形变形变形。
24、相变伪弹性和超弹性相变伪弹性和超弹性33一类参考伪伪弹弹性性仅仅与与应应力力诱诱发发相相变变和和热弹性相变有关。热弹性相变有关。AB段：段：母母相的弹性变形；相的弹性变形；BC段段：B点点为为应应力力诱诱发发马马氏氏体体的的最最小小应应力力，C点点相相变变结结束束；母母相相向向马马氏氏体体的的转转变变使使应应变变增增加加，其其斜斜率率远远小小于于AB段段，说说明明相变容易进行，相变容易进行，CD段段：相相变变结结束束后后，应应力力作作用用下下马氏体马氏体发生弹性变形。发生弹性变形。伪弹性应力应变示意图伪弹性应力应变示意图34一类参考在在D点点之之前前应应力力被被取取消消，例例如如在在点点C，应
25、应变变通通过过几步可恢复：几步可恢复：CF段：段：马氏体马氏体的弹性恢复；的弹性恢复；FG段段：马马氏氏体体向向母母相相转转变变后后引引起起的的应应变变恢恢复复，F点点是是卸卸载载中中马马氏氏体体能能存存在在的的最最大大应应力力，在在该该点点开开始始发发生生马马氏氏体体向向母母相相的的逆逆相相变变，随随后后马马氏氏体体量量不不断断减减少少直直到到母母相完全恢复相完全恢复(G点点)，GH段：段：母相母相的弹性恢复。的弹性恢复。35一类参考b)是超弹性材料的应力一应变曲线是超弹性材料的应力一应变曲线 当应力超过弹性极限后应力诱发母相形成马氏体，当应力继续增加时，马当应力超过弹性极限后应力诱发母相形
26、成马氏体，当应力继续增加时，马氏体相变也继续进行，当应力降低时，相变按逆向进行，即从马氏体转向母氏体相变也继续进行，当应力降低时，相变按逆向进行，即从马氏体转向母相，其永久变形消失，这种现象叫超弹性记忆效应。相，其永久变形消失，这种现象叫超弹性记忆效应。c）合金母相在应力作用下诱发马氏体，并发生形状变化，去除应力后，除弹性）合金母相在应力作用下诱发马氏体，并发生形状变化，去除应力后，除弹性部分能恢复外，其他部分并不回复原状，但其可通过加热产生逆变，从而恢部分能恢复外，其他部分并不回复原状，但其可通过加热产生逆变，从而恢复原形，这种现象叫做形状记忆效应复原形，这种现象叫做形状记忆效应36一类参考
27、形状记忆效应与超弹性形状记忆效应与超弹性37一类参考需要重点理解需要重点理解形状记忆效应与超弹性出现条件图表明形状记忆效应与超弹性出现条件图表明: :(1)(1)从从Ms以以下下温温度度, ,对对合合金金施施加加应应力力，只只产产生生形形状记忆效应，不出现超弹性。状记忆效应，不出现超弹性。(2)(2)在在Af以以上上温温度度，对对合合金金施施加加应应力力，只只出出现现伪伪弹性。弹性。(3)(3)如如果果合合金金发发生生塑塑性性变变形形的的临临界界应应力力较较低低 如如图中图中（B）线线 ，合金不出现超弹性。，合金不出现超弹性。(4)(4)如如果果合合金金发发生生塑塑性性变变形形的的临临界界应应
28、力力较较高高 如如图图中中（A）线线 ，则则合合金金中中施施加加的的应应力力未未达达到到其变形临界应力就会出现超弹性。其变形临界应力就会出现超弹性。38一类参考形状记忆效应形状记忆效应形形状状记记忆忆合合金金的的形形状状记记忆忆效效应应按按形形状状恢恢复复情情况况可以分为三类：可以分为三类：单程形状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程记忆效应全程记忆效应形状记忆效应的三种形式形状记忆效应的三种形式(a)单程单程(b)双程双程(c)全程全程39一类参考单程记忆效应单程记忆效应将将母母相相在在高高温温下下制制成成某某种种形形状状，再再将将母母相相冷冷却却，使使之之发发生马氏
29、体相变，然后对马氏体进行任意变形；生马氏体相变，然后对马氏体进行任意变形；当当温温度度升升至至Af点点，马马氏氏体体完完全全消消失失，材材料料恢恢复复母母相相形形状状，重新冷却时不能恢复低温相时的形状重新冷却时不能恢复低温相时的形状。双程记忆效应双程记忆效应加加热热时时恢恢复复高高温温相相形形状状，冷冷却却时时恢恢复复低低温温相相形形状状，通通过过温温度度升升降降自自发发可可逆逆地地反反复复恢恢复复高高低低温温相相形形状状的的现现象象称称为为双程记忆效应，双程记忆效应，又称可逆记忆效应。又称可逆记忆效应。全程形状记忆效应全程形状记忆效应加加热热时时恢恢复复高高温温形形状状，冷冷却却时时变变为为
30、形形状状相相同同而而取取向向相相反反的高温相的现象。的高温相的现象。40一类参考（a）马氏体状态下未变形）马氏体状态下未变形（b）马氏体状态下已变形）马氏体状态下已变形（c）放入热水中，高温下恢复母相状态，形状完全恢复）放入热水中，高温下恢复母相状态，形状完全恢复单程单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况记忆合金弹簧的动作变化情况41一类参考没放入热水前没放入热水前放入热水后放入热水后冷却至室温后冷却至室温后再次放入热水后再次放入热水后双程双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况记忆合金花的动作变化情况42一类参考全程记忆效应全程记忆效应（Ti-Ni51%,400时效时效100h） 四条互成四
31、条互成 45夹角的薄条带，在夹角的薄条带，在100开水中呈现结扎点在上的圆球形开水中呈现结扎点在上的圆球形a，从，从开水中缓慢提起来时的形状开水中缓慢提起来时的形状b ，在室温时变成近似直线，在室温时变成近似直线c，浸泡在冰水中，浸泡在冰水中，反方向弯曲反方向弯曲d，在干冰，在干冰-酒精液中冷却到酒精液中冷却到-40时，形状变成结扎点在圆球内部时，形状变成结扎点在圆球内部下方的与下方的与a相似的圆球形相似的圆球形e ，放入，放入 100水中，则又恢复成形状水中，则又恢复成形状a 。 43一类参考形状记忆合金的分类形状记忆合金的分类44一类参考合金成分合金成分呈呈现现形形状状记记忆忆效效应应的的
32、合合金金，其其基基本本合合金金系系就就有有10种种以以上上，如如果果把把相相互互组组合合的的合合金金或或者者添添加加适适当当元元素的合金都算在内，则有素的合金都算在内，则有100种以上种以上。得得到到实实际际应应用用的的只只有有Ti基基合合金金、Cu基基合合金金以以及及Fe基合金基合金。其其余余合合金金则则因因为为有有些些化化学学成成分分不不是是常常用用元元素素而而导导致致价价格格昂昂贵贵，或或者者有有些些只只能能在在单单晶晶状状态态下下使使用用，不适于工业生产。不适于工业生产。45一类参考TiNi合合金金是是目目前前形形状状记记忆忆合合金金中中研研究究最最全全面面、记记忆忆性能最好的合金材料
33、。性能最好的合金材料。TiNi合合金金强强度度高高、塑塑性性大大、耐耐蚀蚀性性好好、稳稳定定性性好好，具具有有优异的生物相容性优异的生物相容性，在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的形状记忆合金的形状记忆合金的经济性经济性是一个重要因素。是一个重要因素。Cu基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比TiNi合金差，合金差，但价格仅为但价格仅为TiNi合金的合金的l/10，在性能要求不高、在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要降低成本的情况下反复使用次数少，特别是要降低成本的情况下使用；使用；Fe基合金基合
34、金价格低，加工性能好，力学强度高，价格低，加工性能好，力学强度高，在应用方在应用方面具有明显的竞争优势，但其面具有明显的竞争优势，但其形状记忆效应不是很好形状记忆效应不是很好。46一类参考TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对比合金性能对比合金类型合金类型TiNi合金合金CuZnAl合金合金恢复应变恢复应变最大最大8%最大最大4%恢复应力恢复应力最大最大400MPa最大最大200MPa循环寿命循环寿命105(=0.02)107(=0.005) 102(=0.02)103(=0.005) 耐蚀性耐蚀性良好良好不良，有应力腐蚀破坏不良，有应力腐蚀破坏加工性加工性不良不良不太好不太好记忆处理记忆
35、处理较易较易相当难相当难47一类参考形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 48一类参考左图是一个双程左图是一个双程CuZnAlCuZnAl记忆合记忆合金弹簧，它是金弹簧，它是SMASMA用作驱动器的典用作驱动器的典型形式。型形式。该弹簧是随温度变化自该弹簧是随温度变化自行伸缩的感温驱动元件行伸缩的感温驱动元件。采用。采用CuZnAlCuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，典型伸缩以热水或热风为热源，典型伸缩温度为温度为65856585，自由状态为，自由状态为45mm45mm，伸长状态为，伸长状态为200mm200mm。 可见可见其形变量较大，可以产生足够的其
36、形变量较大，可以产生足够的驱动力。驱动力。 利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其回回复力可对外作功复力可对外作功的特性，能够制成各种驱动元的特性，能够制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。性好。形状记忆合金驱动器形状记忆合金驱动器49一类参考形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用 宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的
37、船舱上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。 先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很好），再让天线冷却到好），再让天线冷却到2828以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，
38、宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。月面天线月面天线50一类参考连接件和紧固件连接件和紧固件形形状状记记忆忆合合金金管管接接头头用用相相变变点点约约-150的的TiNiFe合金制备。合金制备。合合金金内内径径加加工工成成比比被被接接管管径径约约小小4-5，把把管管接接头头浸浸泡泡在在
39、液液态态空空气气中中，在在低温状态下使内径扩大低温状态下使内径扩大约约7-8%，扩扩径径后后管管接接头头用用保保温温材材料料保保持持低低温，被接管从管接头两侧插入，温，被接管从管接头两侧插入，去去掉掉保保温温材材料料，管管接接头头温温度度上上升升到到室室温温，内内径径恢恢复复到到扩扩径径前前状状态态，牢牢箍紧被接管牢牢箍紧被接管。形状记忆管接头形状记忆管接头51一类参考待接管外径为待接管外径为，内径为，内径为(1-4(1-4) )TiNiTiNi合金合金经过单向记经过单向记忆处理后，在低温下忆处理后，在低温下(Mf) (Mf) 扩孔为扩孔为(1+4(1+4) ) 。保持低温，。保持低温，插入被
40、接管，去掉保温材料，插入被接管，去掉保温材料，升温至室温，由于其形状记升温至室温，由于其形状记升温至室温，由于其形状记升温至室温，由于其形状记忆效应，孔径收缩，形成紧密地压合，从而实现紧固连接。忆效应，孔径收缩，形成紧密地压合，从而实现紧固连接。忆效应，孔径收缩，形成紧密地压合，从而实现紧固连接。忆效应，孔径收缩，形成紧密地压合，从而实现紧固连接。 52一类参考形形状状记记忆忆合合金金管管接接头头具具有有高高度度的的可可靠靠性性，不不需需熔熔焊焊的的高高温温高高热热，不不会会损损害害周周围围材材料料，在在低低温温下下易易拆卸，便于检修检查。拆卸，便于检修检查。这这种种管管接接头头在在F-14战
41、战斗斗机机上上使使用用了了10万万个个以以上上，从从未未出出现过漏油等事故。现过漏油等事故。这类管接头在核潜艇的管路连接上也可大量应用。这类管接头在核潜艇的管路连接上也可大量应用。150mm大大口口径径管管接接头头在在海海底底输输油油管管道道及及其其修修补补工工程程上上得得到应用。到应用。F14战斗机战斗机战略核潜艇战略核潜艇53一类参考密密闭闭中中空空结结构构件件中中很很难难进进行行紧紧固固操操作作，形形状状记记忆忆紧紧固固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。Af点点低低于于室室温温的的合合金金用用来来制制造造紧紧固固铆铆钉钉，尾尾部部形形状状记记忆忆处处理成开口
42、形状；理成开口形状；进进行行紧紧固固操操作作前前，把把紧紧固固铆铆钉钉浸浸泡泡在在干干冰冰或或液液态态空空气气中中进进行充分冷却，行充分冷却，然后把尾部拉直然后把尾部拉直；插入被紧固孔；插入被紧固孔；温度回升后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。温度回升后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。(a)开口开口(b)拉直拉直(c)插入插入(d)加热加热形状记忆紧固螺钉形状记忆紧固螺钉54一类参考温度调节装置温度调节装置形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在生活中的应用SMASMA热驱动器基本工作原理就是一个在特定温度或特定温度范热驱动器基本工作原理就是一个在特定温度或特定温度范围内的围内的“开
43、开- -关关”运动。运动。SMASMA弹簧跟可调偏压弹簧相对，二者均弹簧跟可调偏压弹簧相对，二者均直接接触冷热水混合流。水温太高时直接接触冷热水混合流。水温太高时SMASMA弹簧向右推动活塞，弹簧向右推动活塞，限制热水流，降低混合水的水温。水温太低时发生相反的运动。限制热水流，降低混合水的水温。水温太低时发生相反的运动。送出的水温用改变偏压弹簧缩量的温度控制旋钮调节。送出的水温用改变偏压弹簧缩量的温度控制旋钮调节。55一类参考低低于于Mf点点温温度度下下，把把重重M的的重重物物挂挂在在形形状状记记忆忆线线圈圈上上，丝丝材材伸伸长长到到屈屈服服力力和重力达到平衡；和重力达到平衡；把把线线圈圈加加
44、热热到到Af点点以以上上，温温度度上上升升使使合合金金产产生生形形状状恢恢复复，形形状状恢恢复复力力大大于于重重力力，丝丝材材在在弹弹性性应应变变的的状状态态下下收收缩缩L，提起重物做，提起重物做MgL的功；的功；重重物物提提上上去去后后降降低低温温度度，丝丝材材伸伸长长，接接上上重重物物，再再升升高高温温度度把把重重物物提提上上去去，实现热机循环。实现热机循环。形状记忆热机原理形状记忆热机原理能量转换机能量转换机56一类参考保险器和继电器保险器和继电器用用形形状状记记忆忆合合金金制制造造的的温温度度保保险险器器不不同同于于熔熔断断保保险险丝丝，可可产产生生很很强强的的力力拉拉断断接接点点，消
45、消弧弧效效应应明明显显，适合于作大功率、高电压用保险器。适合于作大功率、高电压用保险器。形状记忆合金温度保险器形状记忆合金温度保险器57一类参考 形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合线栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合线、人造骨骼等等。、人造骨骼等等。形状记忆合金在医学中的应用形状记忆合金在医学中的应用记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，里加上冰块，“食道食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去
46、进食功能的食道癌患者提高了生活质量。去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。 （a a）预压缩）预压缩 （b b）受热扩张后）受热扩张后 （c c）植入腔道内效果）植入腔道内效果记忆食道支架记忆食道支架58一类参考矫形外科矫形外科采用采用形脊柱人造关节可在颈椎治疗中替代传统骨融合。形脊柱人造关节可在颈椎治疗中替代传统骨融合。先先在在低低温温下下将将形形器器的的弓弓形形臂臂展展平平(图图a)，并并置置于于颈颈椎椎椎椎体体的的中中间间部部位位(图图b)，由由于于体体温温的的影影响响，形形器器的的臂臂部部恢恢复复原原状，保持颈椎高度状，保持颈椎高度(图图c)。这这种种关关节节成成形形术术提提高高病病人
47、人功功能能恢恢复复的的程程度度，最最大大程程度度减减小小病情的进一步恶化，同时避免并发症的发生。病情的进一步恶化，同时避免并发症的发生。形脊柱人造关节形脊柱人造关节形脊柱人造关节应用示意图形脊柱人造关节应用示意图59一类参考血栓过滤器血栓过滤器在在心心脏脏、下下肢肢和和静静脉脉中中形形成成的的血血栓栓被被剥剥离离后后，通通过过血血管管游动到肺时发生游动到肺时发生肺栓塞肺栓塞。必必须须通通过过服服用用抗抗凝凝剂剂或或外外科科切切除除术术进进行行治治疗疗，但但这这两两种种治治疗疗法法都都有有危危险险，特特别别是是内内出血时用抗凝剂不能止血。出血时用抗凝剂不能止血。美美国国用用TiNi合合金金丝丝试
48、试制制了了用用来来阻阻止止游游动动于于静静脉脉中中的的凝凝血血块的过滤器块的过滤器。血栓过滤器血栓过滤器60一类参考把把TiNi丝丝记记忆忆处处理理成成能能阻阻止止凝凝血血块块的的罗罗网网形形状状，然然后在低温下拉直，通过导管插入腔静脉。后在低温下拉直，通过导管插入腔静脉。进进入入腔腔静静脉脉的的TiNi丝丝被被体体温温加加热热变变成成原原先先复复杂杂的的罗罗网形状，阻止凝血块游动。网形状，阻止凝血块游动。血栓过滤器的伸展过程血栓过滤器的伸展过程61一类参考形状记忆路灯形状记忆路灯法国巴黎用形状记忆合金制造城市照明灯，有两瓣随法国巴黎用形状记忆合金制造城市照明灯，有两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张开
49、或合上的叶片。着灯的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，让灯傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，让灯泡显露出来进行照明。泡显露出来进行照明。 形状记忆路灯形状记忆路灯62一类参考利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，如果不小心被利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，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。而碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。而且这种眼镜框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。且这种眼镜框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。形状记忆合金在生活中的应用形状记
50、忆合金在生活中的应用记忆眼镜框记忆眼镜框63一类参考记忆照明灯罩记忆照明灯罩 用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。记忆汽车外壳记忆衣服记忆衣服 用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升，衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人升，衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人感觉更舒适。感觉更舒适。记忆车钉记忆车钉 用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会温降低、公路结冰时，钉子会“自动自动”从外胎里伸出来，从外胎里伸出来，防止车轮打滑。防止车轮打滑。 用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。泡显露出来。其他应用其他应用64一类参考
