第五章马氏体转变.pptx

重点：1.马氏体转变的主要特点；2.马氏体的组织形态；3.马氏体的热力学分析；4.马氏体的力学性能难点：1.马氏体转变的特点；2.影响马氏体转变的因素。第1页/共68页5-15-1马氏体相变的主要特征马氏体相变的主要特征一、马氏体的晶体结构AM 无扩散型相变 只有点阵重构而无成分变化 C C在在-Fe-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体 M M或或 1.晶体结构-体心正方点阵短轴方向空隙：0.038nm 碳原子有效直径：0.154nm 水平：0.707a 垂直：0.5ac c轴伸长、轴伸长、a a轴缩短轴缩短体心正方（体心正方（a=ba=bc c）第2页/共68页c/a-正方度或轴比 取决于含碳量：cc/ac0.2%-体心正方c0.2%-体心立方无序分布、完全有序分布、部分有序分布2.马氏体的反常正方度-M正方度与碳含量的关系不符合上式1）无序分布，c/a 反常低正方度 碳原子在M中有序化转变2）c原子几乎都处于同一组空隙位置（完全有序化）：T回升至室温无序转变c/ac=a0+a=a0-c/a=1+（5-5-5-5-1 1 1 1）第3页/共68页二、马氏体转变的特点1.切变共格和表面浮凸现象与M相交的表面，一边凹陷，一边突起，牵动相邻A也呈倾突现象；刻划一条直线，马氏体形成后变成一条折线说明：马氏体转变以切变的方式实现；M和A的界面为共格界面 切变共格M形成伴随弹性应变产生、蓄积弹性应变能（共格弹性能）M尺寸当M长大到一定尺寸，使界面上A中弹性应力超过其弹性极限两相间的共格关系遭破坏M停止生长第4页/共68页2.无扩散性实验依据：马氏体转变前后，碳浓度无变化；Fe-Ni合金在极低温度（-190）下，M长大速度仍可达到105/s。在低碳钢中存在C的扩散现象3.具有特定的位向关系和惯习面1）取向关系K-S关系：011/111；/24种取向西山关系：011/111；/差516 12种取向G-T关系：011/111差1；/差2 对K-S关系的修正仅适合259马氏体，有局限性第5页/共68页2）惯习面位错密度较大，畸变能高，而所需形核功小，易于形核。特征：不应变、不转动的平面c0.6%-惯习面为1110.6%c1.4%-225c1.4%-惯习面为259T 0-111或225T 0-259板条状M-低碳111、中碳225片状M-中高碳225、高碳259惯习面与c的关系惯习面与T的关系惯习面与M形状的关系第6页/共68页4.转变的非恒温性和不完全性Ms点以下形成M-在连续冷却条件下未获100%M，有残余奥氏体存在AR冷处理针对高碳钢、高碳合金钢和某些中碳合金钢的Mf点低于室温，将此类钢继续深冷至零下温度的操作。5.转变的可逆性Fe-Ni、Ag-Cd、Ni-Ti冷却时AM；重新加热时MAAs-逆转变开始温度；Af-逆转变终止温度 快速加热一般观察不到M加热时在温度尚未到达As点的过程中发生分解（回火）6.相变产物内部具有亚结构低碳马氏体：密度较高的位错高碳马氏体：细的孪晶有色金属M的亚结构为孪晶或层错相变时不均匀切变的产物相变时不均匀切变的产物第7页/共68页5-25-2 马氏体相变热力学一、马氏体相变热力学条件马氏体转变为什么需要深度过冷？热力学条件：G0转变时的能量消耗（相变阻力）：形成新的界面而消耗界面能；因新相的比容增大和维持切变共格而引起的弹性应变能；产生宏观均匀切变而作功；产生宏观不均匀切变而在马氏体中形成高密度位错和细微孪晶（以能量的形式储存于M中）；使邻近的奥氏体发生协作变形而作功。第8页/共68页相变热力学表达式：G=G+GS+GE+GPGs GE-（弹性应变能消耗）GP-（塑性应变能消耗）M形成条件：G0 则 G GS+GE+GPM转变的驱动力主要是为了克服相变时的切变和形变（塑性+弹性）的阻力母相中缺陷的作用（两个相反效果）：形成一定的组态而提高母相的强度，使相变阻力增大；为相变提供能量，使相变驱动力增大。二、Ms点的物理意义 奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值时的温度，或反映了使马氏体转变得以进行所需要的最小过冷度。马氏体转变为什么需要不断降温?第9页/共68页三、影响Ms点的因素Ms点在生产中的重要意义:1.化学成分的影响c0.2%c Ms点线性降低c0.6%c Mf点急剧降低c0.6%c Mf点下降缓慢且降至0以下合金元素：除Al、Co提高Ms点外，其余大多不同 程度降低Ms。强碳化物形成元素（V、Ti、W）：大部分以碳化物的形式析出，很少溶入A中，对Ms点影响不大。淬火冷至室温存在较多淬火冷至室温存在较多淬火冷至室温存在较多淬火冷至室温存在较多A A A AR R R R第10页/共68页2.形变与应力的影响 拉应力、单向压应力-Ms点 多向压应力-Ms点塑性变形Ms点-应变诱发马氏体 转变的温度最高限：MdMd则不会产生应变诱发M 原因：形变能为马氏体转变提供附加的驱动力（机械驱动力），补偿了所需要的部分化学驱动力，因而使转变可以在较高的温度下发生，即相当于Ms点。适当的塑性变形可以提供有利于M的形核的晶体缺陷（层错、位错），从而促进M的形成。第11页/共68页应变诱发M与形变度的关系：在MsMd温度范围内塑性形变度越大，则形变诱发M的形成量越多，但形变对随后冷却时继续发生的M转变起抑制作用。原因：大量塑性变形在A中引起的晶体缺陷组态强化了母相，阻碍M的形成。在 Md进行塑变 少量塑变-促进M转变 大量塑变-抑制M转变3.奥氏体化条件T t 利于C及合金元素溶入A，成分均匀-Ms A晶粒长大，C原子活动能力在A中位错线上偏聚-MsA晶粒的大小不是影响Ms点的主要因素4.存在先马氏体的组织转变 应用：高速钢的等温淬火工艺1）部分转变为P剩余A为贫碳区（相对）-Ms2）部分转变为B剩余A为富碳区（相对）-Ms第12页/共68页5-3马氏体转变的切变模型一、Bain模型将面心立方点阵看作体心正方点阵-轴比c/a=1.41第13页/共68页Z轴收缩X、Y伸长M：c/a=1.001.08优点：解释了AM时，原子作最小距离的简单移动；取向关系确定。缺点：不能解释表面浮凸效应和惯习面的存在二、K-S模型过程：在（111）面上沿112方向第一次切变，切变角1144在（211）面上沿011方向第二次切变，12010928线性调整-膨胀或收缩使晶面间距和测得的相符合优点：清晰展示了切变过程；很好反映了晶体学取向关系缺点：惯习面的问题；表面浮凸与实测结果相差较大c/a=1c/a=1体心立方体心立方体心立方体心立方第14页/共68页三、G-T模型在接近259晶面上发生第一次切变，产生整体宏观变形，表面出现浮凸均匀切变，确定惯习面；在（112）晶面的11-1 方向上发生1213的第二次切变体心正方点阵宏观不均匀切变；微小调整，使晶面间距符合实验结果优点：可解释浮凸效应、惯习面、取向关系和亚结构变化缺点：不能解释c1.4%的取向关系四、K-N-V模型全位错分解形成滑移型不全位错+堆垛层错铬镍不锈钢、高锰钢和Fe-Ni-Mn合金：A（fcc)中间相 M（体心正方）层错作为M二维核胚，即 取向关系（111）/（0001）/（011）；10-1 /11-20 /1-11第15页/共68页5-4 5-4 马氏体的组织形态一、马氏体的形态1.板条状马氏体：低中碳钢、M时效钢、不锈钢、Fe-Ni合金1）光镜分析：群集状M、位错M束、块、板条-板条M的组织单元束：指惯习面晶面指数相同而在形态上呈现平行排列的板条集团。大角度晶界块：指惯习面晶面指数相同与母相取向相同的板条集团。大角度晶界 60 并非所有M束中都有“块”存在板条长：25m 宽：0.10.2m2）晶体学关系：K-S关系 惯习面111束只可能有四种取向3）亚结构：高密度位错 0.30.91012-2切变以滑移方式进行4）残余奥氏体：薄膜状 厚：100200埃断裂韧性形成原因:机械稳定化；碳原子扩散使得奥氏体中碳浓度升高A A A A晶粒大小对板条的宽度无影响晶粒大小对板条的宽度无影响晶粒大小对板条的宽度无影响晶粒大小对板条的宽度无影响第16页/共68页2.片状马氏体：中高碳（合金）钢、Fe-Ni（29%）光镜下：针（竹叶）状立体形态：双凸透镜片状特征：1）首先形成的M晶粒贯穿整个A晶粒，尺寸较大较厚，后形成的M多取向分布尺寸，大小不均匀-取决于A晶粒的大小（结构钢）第二相质点的数量和大小（工具钢）；母相的晶体缺陷密度 隐晶马氏体第17页/共68页2）惯习面与取向关系 形成温度高 225 K-S关系 形成温度低 259 西山关系3）中脊片状M中间一条明显的筋厚度：0.51 m c1.4%明显 相当于惯习面？4）M的片之间总有残余奥氏体的存在相变的不完全性5）亚结构:孪晶+少量位错 孪晶M孪晶面：112 孪晶方向：111 孪晶中脊面附近的中央地带（孪晶区）间距：50100埃Ms点高,则孪晶区范围缩小位错片的边沿地带（非孪晶区）高密度位错小结：比较片状M和板条M的区别第18页/共68页第19页/共68页3.其它形态的马氏体1）混合马氏体2）蝶状马氏体Fe-Ni合金或Fe-Ni-C立体形态：细长杆状断面：蝴蝶形两翼结合部分像片M的中脊，向两侧长成取向不同（孪晶）的两片M亚结构：高密度位错，未发现孪晶 符合K-S关系混合混合混合混合M M M M蝶状蝶状蝶状蝶状M M M Mc0.3%板条M0.3%c1%板条M+片Mc1%片M 第20页/共68页3）薄片状马氏体：Ms点极低的Ni钢立体形状：薄片状金相：细带状，相互交叉、分枝、曲折亚结构：由112孪晶组成，但无中脊惯习面：259 符合K-S关系4）马氏体:Cr-Ni（Mn）不锈钢、高锰钢密排六方结构立体形态：极薄片状 厚10003000埃亚结构：大量层错 层错能低易形成取向关系：111/1000；110/1120 惯习面：111第21页/共68页二、影响M形态和内部亚结构的因素1.马氏体形成温度碳钢：cMs、残余奥氏体量 c0.3%板条MMs下较高温区0.3%c 1%板条M+片M c1%片状MMs下较低温区 缩小相区板条M 扩大相区随Me，板条M片M改变A化温度不同Ms点结果：随Ms，M形态由蝶状片状薄片状片状M：随形成温度相变孪晶区变大2.奥氏体的层错能层错能低利滑移产生位错板条M层错能高不利滑移产生孪晶片M合金元素第22页/共68页证明：18-8型钢不锈钢，其A层错能较低，在液氮中淬火板条MFe-33Ni合金，层错能高，淬火后其孪晶区扩大3.A和M的强度Ms点处 s206MPa 低111 板条M 高225 片M s206MPa 259 片M4.M滑移和孪生变形的临界分切应力大小Ms以下 较高温度：滑移的临界分切应力较低位错M 较低温度：孪生的临界分切应力较低孪晶M1）低碳钢：c0.3%形成温度在MsMf范围偏高 则滑 孪只能滑移板条M2）高碳钢：c1%形成温度在MsMf范围偏低 则滑孪只能孪生片M3）中碳钢：形成温度在MsMf范围适中 两种倾向混合M第23页/共68页5-55-5马氏体转变的动力学一、马氏体转变的形核1.热形核说出发点：把M转变看作单元素的同素异构转变，形核功（W）和核胚长大激活能（U）决定形核率形核功来源于热起伏，核胚的长大靠原子一个个地从母相转入新相实现。2.缺陷形核说形核位置结构不均匀区域（晶体缺陷、内表面、形变区）缺点：只能说明形核的不均匀性，不能解释变温瞬时形核。3.核胚冻结理论基本观点：在A中已经预先存在具有M结构的微区-存在于与各种晶体缺陷有关的位置。微区随T而被冻结到低温，在没有成为可以长大成M的晶核以前称为核胚。T，则rk。冷却时：核胚尺寸该温度下临界晶核尺寸，则成为晶核并长大当大于临界尺寸的核胚消耗光时，转变停止，进一步降低T才能使更小的核胚成为晶核-解释了变温瞬时形核等温过程中，小于临界尺寸的核胚有可能通过热激活而使尺寸长大到临界晶核尺寸-等温形核的解释4.自促发形核先生成的M使其周围A协作变形而产生位错促成M核胚形成第24页/共68页二、马氏体转变动力学的类型1.变温（降温）转变M转变在连续冷却过程中进行M转变量决定于Ms点以下的过冷度，与等温停留时间无关。非热学性转变长大速度极快相变驱动力较大，加之相变的共格性和原子的近程迁移长大激活能较小M转变量的增加是依靠降温过程中新的M片的不断形成，而不是依靠已有M片的继续长大 10-410-7S动力学特点：变温形成、瞬间形核（无孕育期）和高速长大（长到极限尺寸）动力学曲线：体积分数f f 0.075，f上升慢0.075 f0.5 T，f上升快f0.5：T，f增加减慢第25页/共68页2.等温转变Fe-Ni-Mn、Fe-Ni-Cr、1.1C-5.2Mn动力学曲线：具有孕育期；等温时间增加M转变量；随转变温度转变速率、孕育期但达到某一转变温度，v、孕育期特点：等温形核、瞬时转变热学性转变（通过热激活过程形核）；M的等温转变具有不完全性；原因：热稳定-G=0；机械稳定M转变的体积变化引起未转变A的变形，从而使未转变AM转变时切变阻力具有等温+变温转变的合金：GCr15、W18Cr4V-以变温为主，一定条件下出现等温转变第26页/共68页3.爆发式转变：Fe-Ni、Fe-Ni-C Ms0现象：爆发相变点MB（Ms）瞬时形成，伴有响声并释放大量相变潜热惯习面：259 有中脊 呈“Z”字形排列尖端具有高应力场特点：自促发形核、爆发式转变动力学曲线:直线表示爆发式转变，转变后随温度降低，又呈现正常的变温转变；随镍含量增加，M的爆发转变量先增后减。影响因素：M的爆发量与MB的高低有关；M的爆发量与A晶粒大小有关。第27页/共68页4.表面转变：Fe-30Ni、Fe-Ni-C只产生于表层的马氏体-表面马氏体特点：等温条件下形成，形核需孕育期；长大速度慢（110-2/s），深度0.3ms2030m;条状，惯习面112或111 符合西山关系；形成原因：自由表面不受压力（Ms），内部三向压力（Ms）第28页/共68页5-65-6 马氏体的性能一、马氏体的强度和硬度1.硬度：主要决定于含碳量，合金元素的影响较小cHRC c0.4%显著提高 c0.4%提高不显著 AC1 淬火 c0.6%HRC不再增加出现ARAC3 淬火 c0.6%HRC降低 AR大量增加2.强度:cs c0.4%s不再增加 强硬化机制:1.过饱和碳引起的强烈的固溶强化过饱和碳-间隙固溶体-点阵畸变应力场（与位错交互作用）-碳钉扎位错M强化 c0.4%-碳原子靠近应力场相互抵消强化效果合金元素：置换固溶体强化效果小第29页/共68页2.马氏体中亚结构引起的强化c0.3%-板条M位错碳钉扎位错引起固溶强化c0.3%-片状M孪晶阻碍位错运动附加强化3.马氏体的时效强化淬火、淬火后室温停留、外力作用自回火碳原子发生偏聚或碳化物弥散析出M晶体内显微结构不均匀时效强化 c时效强化显著小结：低碳M：固溶强化+时效强化；c，除固溶强化，亚结构强化作用原A晶粒和M束尺寸越细，sM的硬、强度主要受c和亚结构控制问题：A和M含碳量相同，为什么固溶于A的碳原子强化效果不大，而固溶于M的碳原子强化效果显著？第30页/共68页二、马氏体的塑性和韧性1.c0.3%M的塑韧性高位错型亚结构 滑移系多；板条M平行生长，互不撞击，不产生裂纹；AR薄膜包围板条M周围2.c0.3%cM的塑韧性 孪晶滑移系少（只有孪晶面及孪晶方向一致的滑移系才能在塑变中起作用，滑移系减少塑变难以进行）；片M成长时，相互撞击显微裂纹；C原子偏聚在孪晶界上脆性3.显微裂纹1)产生原因撞击机理 只在片M中产生M的长大速度极快引起片M相互撞击M的脆性大，且片M不能作相应的塑变来消除应力应力-产生裂纹 类型：穿针型、边界型2）影响显微裂纹的因素裂纹敏感度：单位体积中的裂纹面积裂纹敏感度：单位体积中的裂纹面积 S SV V碳含量的影响：c1.4%225 cSVc1.4%259 cM形态改变（厚而短）M尺寸-撞击几率-SV第31页/共68页奥氏体晶粒大小的影响:A晶粒 SV；奥氏体化温度 SV淬火冷却温度：T越低 AR减少M量 SVM转变量的影响：f SV，当f27%，SV不再随f增大3）控制措施使奥氏体化温度降低-晶粒小，M中含碳量少；等温淬火-下贝氏体；淬火后立即回火，以利于裂纹的焊合。4）M的断裂机制高碳片状M:裂纹源是M内的显微裂纹低碳板条M:小应力变形自我吸收；大应力沿M束的横截面扩展 100小结：塑韧性主要决定于亚结构的类型孪晶塑韧性Ms孪晶塑韧性；AR的存在提高断裂韧性和疲劳寿命。第32页/共68页三、马氏体的相变诱发塑性合金在M转变过程中塑性有所增加产生原因：应变诱发M加工硬化率形变困难，阻碍颈缩-提高均匀形变的塑性；应力集中处产生应变诱发M，比容比母相大应力松弛防止裂纹产生应用：变塑钢 Md20Ms四、马氏体弹性模量E金属间原子结合力的大小M中固溶碳量晶格畸变Fe原子间结合力 E 回火后，过饱和碳脱溶析出E恢复 五、马氏体的其它性能1.比容：单位质量物质的体积密度的倒数MPA c比容差淬火前后体积变化组织应力变形开裂倾向2.磁性：c磁饱和强度 M内应力高磁矫顽力高3.电阻：c电阻第33页/共68页一、奥氏体的稳定化现象1.定义：由于外界条件的变化而引起AM呈迟滞现象。2.分类：热稳定化等温停留或冷却缓慢 机械稳定化形变3.现象：AR%、M%4.特点：HRC、耐磨性-对高碳钢、渗碳钢危害大；易变形开裂：体积变化、AR不稳定;可降低低温钢的脆性；可降低回火脆性；可提高轴承钢的接触疲劳强度；断裂韧性二、奥氏体的热稳定化1.定义：钢在淬火冷却过程中由于冷却缓慢或中途停留而引起A向M转变呈现迟滞现象。5-7 5-7 奥氏体的稳定化Ms点上下等温停留、塑性变形、M使相邻A协作变形Ms、继续转变温度、AR量第34页/共68页2.影响因素1）等温停留时间：t滞后温度值、M总量奥氏体稳定化的度量指标：滞后温度值；AR%增值、稳定化程度2）停留温度：T稳定化程度到达某一温度，稳定化-反稳定化3）化学成分：cA稳定化程度4）冷却速度：V AR%-稳定化程度3.形成原因（原子热运动规律）C、N原子与位错相互作用钉扎位错（柯氏气团）-A得到强化切变阻力T高：原子热运动 柯氏气团量 热稳定化；T低：原子热运动 柯氏气团量 热稳定化；T过高：原子扩散能力 原子脱离位错逸去破坏柯氏气团稳定化反稳定化反稳定化反稳定化反稳定化第35页/共68页三、奥氏体的机械稳定化1.定义：Md 塑变 抑制随后冷却时的M转变Ms2.特点：少量塑变-促进M转变；大量塑变-抑制M转变 形变温度-对A稳定性影响3.形成原因形变在母相中造成了不同的缺陷组态少量塑变A中层错、在晶界和孪晶界处因形成位错网络和胞状结构而出现更多的应力集中部位M形核率；大量塑变 出现大量高密度位错、亚晶界母相强化切变阻力 M形成周围A协作变形、体积膨胀A受压4.热稳定+机械稳定化（Ms点以下）：停留温度热稳定、机械稳定机械稳定化机械稳定化机械稳定化机械稳定化第36页/共68页四、应用1.为减少淬火变形而有意保持一定的AR分级淬火；等温淬火；A化温度溶入较多碳化物Ms2.为了保证工件有较高的硬度和耐磨性，而尽量减少AR冷却较快的普通淬火形状简单工件；Ms点附近短时停留分级淬火；淬火后立即冷处理；淬火+回火AR发生反稳定化3.为了保证工件尺寸的稳定性和钢的强韧性而提高AR的稳定性淬火+冷处理+回火+时效第37页/共68页5-85-8热弹性马氏体与形状记忆效应一、热弹性马氏体1.定义:具有随温度升降引起M片的消长这种特性的马氏体。2.形成条件：维持共格界面M与A的比容差小使界面上的应变减小处于弹性范围；母相具有有序点阵结构（规律性强、对称性低）-利于正、逆转变母相与马氏体维持原有不变的晶体学取向关系转变的完全可逆性二、热弹性马氏体的伪弹性行为由应力变化引起的非线性弹性行为伪弹性、超弹性致变因素：应力 应力马氏体片长大 应力马氏体片减小第38页/共68页三、形状记忆效应 1.阿波罗飞船登月所用天线奥秘所在?2.什么是形状记忆效应？3.形状记忆效应的实质 4.形状记忆合金材料的发展 5.形状记忆合金的应用实例第39页/共68页1.阿波罗飞船登月所用天线奥秘所在那是1969年7月2 0日，乘坐“阿波罗”11号登月宇宙飞船的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，这位勇士从月球传回的富有哲理的声音：“对一个人来说，这仅仅是一小步；但对整个人类来说，这是跨了一大步.。”宇航员的形象和声音是如何从月球返回来的呢？细心的观众也许会发现，宇航员登月后，安装在飞船上的一小团天线，在阳光照射下迅速展开，伸展成半球状，开始了自己的工作。月、地之间的信息就是通过它传输过来的。不过，人们仍在纳闷：这种天线是宇航员发出指令，还是什么自动化仪器使它展开的呢？其实，都不是。原来，奥秘就在于：这个半球形天线是用当时刚刚发明不久的形状记忆合金制成的。用极薄的形状记亿合金（Ni-Ti合金）材料先在正常情况下按预定要求作成半球状天线（直径大达数米），然后降低温度把它压成一团，装进登月宇宙飞船带上天去。当到达月球后，在阳光照射下温度升高至一定温度时，天线又“记忆”起了自己的本来面貌，故而恢复成一个半球状天线（如图2.1所示）。第40页/共68页图1 用Ni-Ti形状记忆合金制成的通讯卫星天线略图 Mf马氏体转变终了点；As马氏体向原始相转变的开始温度；Af马氏体向原始相逆转变的终了温度；第41页/共68页2.什么是形状记忆效应？多少年来，人们一直认为，只有人和某些动物才有“记忆”功能，非生物是不能有这种功能的。可是，美国科学家在20世纪50年代偶然发现，某些金属合金也具有一种所谓“形状记忆”的功能。它们能在某一温度下成型为一种形状，而在另一温度下则又变回到原始的形状。这种奇特的“形状记忆”功能可以保持相当长的时间，并且重复千万次都准确无误。那么，什么是形状记忆效应呢？它是指具有一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定的塑性变形后，加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。即它能记忆母相的形状。具有形状记忆效应的合金材料即称为形状记忆合金。为什么形状记忆合金不“忘记”自己的“原形”呢？原来，这些合金都有一个特殊的转变温度。在转变温度之上，它具有一种组织结构；而在转变温度之下，它又具有另一种组织结构。结构不同、性能各异，不同温度下的组织结构促使大批原子协调运动，使合金具有记忆待性。上面提到的美国登月宇宙飞船上的自展天线，就是用镍钛形状记忆合金做成的。这种合金在转变温度以上时，坚硬结实，强度很高，敲起来铿锵作响；而低于转变温度时，它却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需要的大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加外力，把它弯曲折叠成一个小球，使之在登月飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新张开，恢复成原来大半球的形状。第42页/共68页(a)原始形状 (b)拉 直 (c)加热后恢复形状记忆效应简易演示实验 第43页/共68页（a）记忆合金（b）马 达 （c）蚂 蚁 （d）人 形状记忆合金形状是名副其实的大力士 第44页/共68页（a）智能水温调节器（b）移动电话天线（c）牙 刷形状记忆合金的应用实例第45页/共68页形状记忆合金眼镜架 第46页/共68页形状记忆铆钉的工作过程形状记忆铆钉的工作过程现以图2.2中的一个铆钉为实例，进一步说明形状记忆效应。这个铆钉是用形状记忆合金制作的，首先在较高的温度下（TMs）把铆钉做成铆接以后的形状，然后把它降温至Mf以下的温度，并在此温度下把铆钉的两脚扳直（产生形变），然后顺利地插入铆钉孔，最后把温度回升至工作温度（TAf），这时，铆钉会自动地恢复到第一种形状，即完成铆接的程序。显然这个铆钉可以用于手和工具无法直接去操作的场合。（a）成型（TMs）；（b）扳直两脚（TMf）；（c）插入（TAs）；（d）加热（TAf）图2 形状记忆铆钉的工作过程第47页/共68页形状记忆效应的类型形状记忆效应的类型形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。图2.3表示3种不同类型形状记忆效应的对照。所谓单程形状记忆效应就是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。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称为全程形状记忆效应。它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ni 的Ti-Ni合金中出现。图图3 3 三种类型形状记忆效应示意图三种类型形状记忆效应示意图 第48页/共68页3.形状记忆效应的实质实质：变形所引起的组织上的变化因可逆转变而完全消除。条件:必须具有热弹性M转变M转变的热弹性行为；亚结构是孪晶或层错形成择优取向的伪单晶；母相具有有序化结构逆转变时M与A保持特定取向关系图图4 形状形状记忆记忆过程过程中晶中晶体结体结构变构变化的化的示意示意图图 第49页/共68页某些具有热弹性马氏体相变的材料，当温度低于马氏体相变的Mf 点时，变成在低温下稳定的马氏体相；这些马氏体相由晶体结构相同、结晶方向不同的孪晶体构成，这些孪晶界面受很小的力即可移动。第50页/共68页在外力作用下进行一定程度的变形后，孪晶结构生长成处于外力择优位向的同系晶体，而产生了高达百分之几、甚至20%的剪切变形量。第51页/共68页若随后将这种变形马氏体加热至超过马氏体逆转变成奥氏体时的相变终了温度Af 时，马氏体相反过来又变为母相。这种形状变化，也可发生在马氏体相变温度以上。经过变形诱发的择优位向马氏体晶体相能量不稳定，当外力除去，便可反过来变成马氏体，而恢复原来形状。第52页/共68页4.形状记忆合金材料的发展形状记忆合金材料目前已有20余种。大致可分为两类：一类是以过渡族金属为基的合金，另一类是贵金属的相合金。但最引人注目的是Ni-Ti基合金、Cu-Zn-Al合金、Fe-Mn-Si合金和Cu-Al-Ni合金等。表2.1 具有形状记忆的合金系 第53页/共68页Ni-Ti基合金 其原子比为11，具有高的耐热性、耐蚀性，高的强度，以及其它材料无可比拟的耐热疲劳性与良好的生物相容性。但存在原材料价格昂贵，制造工艺困难，切削加工性不良等不足。近年来发展了一系列性能得到提高的材料，在Ni-Ti合金中加入其它元素，开发了Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Nb、Ni-Ti-Cr、Ni-Ti-Fe等系列合金。需特别指出的是研究人员在Ni-Ti合金中添加微量的Fe或Cr，可使记忆合金的转变温度降到-100，适合在低温下工作。Cu基合金 价格便宜，原料来源充足，生产过程简单，良好的形状记忆效应，电阻率小，导热性好，加工成形性能好。但长期或反复使用时，形状恢复率会减小，是尚需探索解决的问题。开发的Cu-Zn-Al和Cu-Ni-Al合金可在很宽的-100300范围内调节。铁基合金 具有强度高，塑性好，价格便宜等优点，正逐渐受到人们的重视并获得开发。如Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Ni-Ti、Fe-Mn-Si、Fe-Mn-Si-Cr等。从价格上看，铁系形状记忆合金比Ni-Ti系和Cu系低得多，易于加工，强度高，刚性好，所以是很有竞争力的新合金系。第54页/共68页5.形状记忆合金的应用实例从外观上看，形状记忆合金不但能受热膨胀、伸长，也可以受热收缩和弯曲，这主要取决于它的原始形状。利用这一特性，形状记忆合金在航天、机械、电子仪器和医疗器械上有着广泛的用途。(1)形状记忆热发动机 (2)用于机械、电子方面 (3)用于医疗器械方面 第55页/共68页(1)形状记忆热发动机记忆合金在受热恢复原来形状时，还会产生很大的力量，可以利用这个力量来做功。用它制造的发动机不要汽缸和活塞，而是使记忆合金在反复受热、冷却过程中，一会儿变形一会儿又恢复原状，利用所产生的这股力量便可作功。因此，用形状记忆合金制造新型热发动机则是有着诱人的前景。这种热机是利用黄铜的形状记忆特性，它在形变时能够产生足够的力来做功。这种作功的本领就意味着形状记忆合金有可能把温差转变成一种新型能源，第一台形状记忆热发动机，在美国于1968年取得了专利权，目前，这种热发动机又有了新的发展。这种发动机可以利用太阳能或其他热源改变其叶片形状而产生旋转力矩，使曲轴转动而做功。英国已有厂家制造出了黄铜热发电机。尽管这种装置的热能利用率在理论上来说比较低，只有4%5%，但是对人们仍有很大吸引力，因为它只需几度的温差就可以工作。有人建议利用这种装置来回收和利用发电厂及其他工业烟囱排出的废热。第56页/共68页如图5所示，系1973年美国试制成第一台利用海水温差发电热机的结构示意图。它是利用高温、低温时发生相变产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能热能之间的相互转换。其装置是一个水平放置的轮子，轮辐是偏心结构，每个轮辐上挂有用Ti-Ni合金制成的U形环，轮子下的水槽制成两个半圆，分别装入冷热水。当U型环进入热水槽时，就突然伸直，产生弹力。这种弹力有一部分沿轮子的切线作用，推动轮子旋转。当轮辐转入冷水槽内时，伸直的合金丝又恢复弯曲形状。尽管这种热机只产生了0.5W的功率（至1983年功率已达20W），但发展前景十分诱人，可利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想。图图5 5 镍钛诺尔热机的结构镍钛诺尔热机的结构 第57页/共68页(2)用于机械、电子方面记忆合金可用于热敏装置如火灾警报器、安全装置，固紧销、管件的接头、密封垫等机械器具，还可用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。例如，图6所示系用记忆合金管接头连接两根管子的示意图。首次于60年代被用于海军飞机液压系统的接头，并取得成功。当时由于使用普通的管接头热胀冷缩，容易引起泄漏，造成飞行事故。据统计，全部飞行事故中有1/3是由于液压系统接头泄漏而引起的。首先在Af温度以上使记忆合金管接头的内径比它所要连接的管子的外径略小一点，进行管路连接时先将记忆合金管接头冷却到Mf以下的低温，使之转变成马氏体。此时管接头在较低的应力下即能变形，可以用专用的工具对管接头进行扩径，使其内径略大于将要被连接的管子。然后即可将要连接的管子插入被扩径的接头中，随即将之加热到Af以上。由于形状记忆效应，在加热到Af以上的过程中管接头的内径恢复原来的尺寸，从而将管子紧紧地箍住，完成了管子的连接。由于在Af以上形状记忆合金变形所对应的应力很大，所以形状记忆合金管接头的连接很严密、牢靠。这种管接头特别适用于难焊接的、管路密集不易施工等场合的管路连接。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，据说近30万个接头，无一发生事故，在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合金管接头，因为在这些场合中，管道排列十分密集，一般的方法无法实行管道的连接。在电子仪器方面用作接插件，用于集成线路的钎焊等。目前，国外正在研究用记忆合金制造机器人，其动作由微处理机来控制。第58页/共68页图6 使用形状记忆合金管接头连接管路第59页/共68页第60页/共68页（3）用于医疗器械方面记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。可用于牙齿矫形、人造心脏、接合断骨等医疗器械方面，大大减轻了患者的病痛。图7 所示为形状记忆合金制血凝过滤器示意图；图8所示，系Ni-Ti合金丝的加工与使用全过程示意图；生生物物支支架架第61页/共68页（a）预压缩 （b）受热扩张后 （c）植入腔道内效果医用腔内支架的应用原理示意 第62页/共68页（a）消化道内支架 （b）血管内支架 （c）胆道内支架腔内支架临床应用实例第63页/共68页例如，脑血栓是一种多发病，当人体内血液粘稠到一定程度，就会形成血栓，如果血栓通过血液循环系统流到心脏或肺脏的时候，就会引发致命的疾病。但只要把用镍钛形状记忆合金制成的血栓过滤网插入病人的静脉里（如图2.8所示），就能有效防止血栓进入心脏或肺脏。这种小小的器件可以通过导管插入静脉之中。插入之前，它的形状是直的；插入后，当记忆合金被体温温暖时，就“回忆”起原先的形状，在静脉里变成一个精巧的滤网。其Ni-Ti合金丝的加工与使用全过程如图2.9所示。图图7 形状记忆合金制血凝过滤器形状记忆合金制血凝过滤器第64页/共68页 图8 Ni-Ti形状记忆合金丝的加工与使用示意图第65页/共68页本 章 总 结1、马氏体的晶体结构及正方度的含义；2、马氏体的转变特点；3、马氏体的组织形态特征（重点是板条马氏体和片状马氏体）、压结构及其机械性能的差异；4、马氏体转变的热力学特点；5、影响Ms点的因素；6、马氏体转变的动力学类型；7、马氏体的机械性能；8、奥氏体的稳定化（热稳定化+机械稳定化）9、热弹性马氏体和形状记忆效应的概念。第66页/共68页本 章 习 题1、试说明什么是马氏体？钢中马氏体的晶体结构？马氏体的正方度取决于什么？2、马氏体转变有哪些主要特点？3、简述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征、亚结构以及其机械性能的差异。4、马氏体转变为什么需要深度过冷？5、试述Ms点的物理意义，并说明马氏体转变需要不断降温的原因。6、影响Ms点的的主要因素有哪些？7、什么叫应变诱发马氏体？它在什么条件下发生？8、钢中马氏体的转变动力学有哪几种类型？各有何特点？9、什么是奥氏体稳定化现象？热稳定化和机械稳定化受哪些因素的影响？10、影响钢中马氏体强韧性的主要因素？11、何谓热弹性马氏体和形状记忆效应？第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页