第5章-形状记忆合金.优秀PPT.ppt

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1、第5章 形态记忆合金形态记忆合金的发觉形态记忆合金的发觉l2020世纪世纪6060年头初，美国马里兰州海军军械探年头初，美国马里兰州海军军械探讨所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这讨所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝曲曲折折，为了运用便利，他把这些些合金丝曲曲折折，为了运用便利，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝尽然完全复原了它们原来曲曲折折的形态。尽然完全复原了它们原来曲曲折折的形态。某某些些具具有有热热弹弹性性马马氏氏体体相相变变的的合合金金材

2、材料料，处处于于马马氏氏体体状状态态时时，进进行行确确定定限限度度的的变变形形或或变变形形诱诱发发马马氏氏体体后后，在在随随后后的的加加热热过过程程中中，当当超超过过马马氏氏体体相相消消逝逝的的温温度度时时，变变形形材材料料就就能能复复原原到到变变形形前前的的形形态态和和体体积积，这这种种现现象象称称为为形形态态记记忆忆效效应应(Shape(Shape Memory Memory Effect)Effect)，简称，简称SMESME。具具有有形形态态记记忆忆效效应应的的合合金金称称为为形形态态记记忆忆合合金金(Shape(Shape Memory Memory Alloy)Alloy)，简简称

3、称(SMA)(SMA)。如如Cu-SnCu-Sn，Cu-ZnCu-Zn，Cu-Al-NiCu-Al-Ni，Au-Au-CdCd，In-Ti In-Ti，Ti-NiTi-Ni等等合合金金均均具具有有形形态态记记忆忆效应。效应。马氏体相变首先在钢中发觉。马氏体相变首先在钢中发觉。5.1 5.1 形态记忆原理形态记忆原理5.1.1 5.1.1 热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变钢（碳溶解到钢（碳溶解到铁中形成的固溶体）在高铁中形成的固溶体）在高温时形成奥氏体相，如以极大的冷却速度过冷温时形成奥氏体相，如以极大的冷却速度过冷到到230以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可

4、能，奥氏体将干脆转变成一种含碳过饱散的可能，奥氏体将干脆转变成一种含碳过饱和的和的固溶体，称为马氏体。固溶体，称为马氏体。马马氏氏体体相相变变之之后后在在钛钛、锂锂等等金金属属，合合金金及氧化物晶体中发觉。及氧化物晶体中发觉。马氏体相变往往具有可逆性，即把马氏体(低温相)以足够快的速度加热，可以不经分解干脆转变为母相(奥氏体相或高温相)。母相向马氏体相转变起先、终了温度称为Ms、Mf；马氏体向母相逆转变起先、终了温度称为As、Af。具具有有马马氏氏体体逆逆转转变变，且且Ms与与As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渐渐渐

5、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而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。升而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。l非热弹性马氏体相变是靠新马氏体相的生非热弹性马氏体相变是靠新马氏体相的生成，生成速度特别快。成，生成速度特别快。l l在在MsMs以上某一温度对合金施加外力也可引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诱发起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属弹性马马氏体。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，反之马氏氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消退后马氏体

6、消逝，这种马体缩小，应力消退后马氏体消逝，这种马氏体叫应力弹性马氏体。氏体叫应力弹性马氏体。早期产生形态记忆效应的条件是：早期产生形态记忆效应的条件是：(1)马氏体相变是热弹性的；马氏体相变是热弹性的；(2)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，即即亚亚结结构构为孪晶；为孪晶；(3)母相和马氏体均为有序结构。母相和马氏体均为有序结构。5.1.2形态记忆原理形态记忆原理最终产生形态记忆效应的条件是：最终产生形态记忆效应的条件是：依依据据马马氏氏体体相相变变的的定定义义，在在相相变变过过程程中中，只只要要形形成成单单变变体体马马氏氏体体并并解解除除其其他他阻阻力力，材材料料经经过过

7、马马氏氏体体相相变变及及其其逆逆相相变变，就就会会表表现现出出形形态记忆效应。态记忆效应。母母母母相相相相先先先先淬淬淬淬火火火火(温温温温度度度度低低低低于于于于MMf f)得得得得到到到到马马马马氏氏氏氏体体体体；然然然然后后后后使使使使马马马马氏氏氏氏体体体体发发发发生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形；变变变变形形形形后后后后的的的的合合合合金金金金受受受受热热热热(温温温温度度度度高高高高于于于于A As s)时时时时，马马马马氏氏氏氏体体体体发发发发生生生生逆逆逆逆转转转转变，回复母相原始状态；变，回复母相原始状态；变，回复母相原始状态；变，回复母相原始状态；形形态态记记忆忆过

8、过程程 马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变是是是是一一一一种种种种非非非非扩扩扩扩散散散散型型型型转转转转变变变变，母母母母相相相相向向向向马马马马氏氏氏氏体体体体转转转转变变变变，可可可可理理理理解解解解为为为为原原原原子子子子排排排排列列列列面面面面的的的的切切切切应应应应变变变变。由由由由于于于于剪剪剪剪切切切切形形形形变变变变方方方方向向向向不不不不同同同同，而而而而产产产产生生生生结结结结构构构构相相相相同同同同，位位位位向向向向不不不不同同同同的的的的马马马马氏氏氏氏体体体体-马氏体变体马氏体变体马氏体变体马氏体变体。以以以以Cu-ZnCu-Zn合合合合金金金金为为为为例例例

9、例，合合合合金金金金相相相相变变变变时时时时围围围围绕绕绕绕母母母母相相相相的的的的一一一一个个个个特特特特定定定定位位位位向向向向常常常常形形形形成成成成四四四四种种种种自自自自适适适适应应应应的的的的马马马马氏氏氏氏体体体体变变变变体体体体，其其其其惯惯惯惯习习习习面面面面以以以以母母母母相相相相的的的的该该该该方方方方向向向向对对对对称称称称排排排排列列列列。四四四四种种种种变变变变体体体体合合合合称称称称为为为为一一一一个个个个马马马马氏体片群，如图氏体片群，如图氏体片群，如图氏体片群，如图5-25-2。图图5-2 5-2 一个马氏体片群一个马氏体片群(a)(a)实线：孪晶界及变体之间

10、的界实线：孪晶界及变体之间的界 面。虚线：基准面；面。虚线：基准面；(b)(b)在在 标准投影图中，四个标准投影图中，四个变体的惯习面法线的位置变体的惯习面法线的位置 过程过程1：每每每每个个个个马马马马氏氏氏氏体体体体片片片片群群群群中中中中的的的的各各各各个个个个变变变变体体体体的的的的位位位位向向向向不不不不同同同同，有有有有各各各各自自自自不不不不同同同同的的的的应应应应变变变变方方方方向向向向。每每每每个个个个马马马马氏氏氏氏体体体体形形形形成成成成时时时时，在在在在四四四四周周周周基基基基体体体体中中中中造造造造成成成成了了了了确确确确定定定定方方方方向向向向的的的的应应应应力力力

11、力场场场场，使使使使沿沿沿沿这这这这个个个个方方方方向向向向上上上上变变变变体体体体长长长长大大大大越越越越来来来来越越越越困困困困难难难难，假假假假如如如如有有有有另另另另一一一一个个个个马马马马氏氏氏氏体体体体变变变变体体体体在在在在此此此此应应应应力力力力场场场场中中中中形形形形成成成成，它它它它当当当当然然然然取取取取阻阻阻阻力力力力小小小小、能能能能量量量量低低低低的的的的方方方方向向向向，以以以以降降降降低低低低总总总总应应应应变变变变能能能能。由由由由四四四四种种种种变变变变体体体体组组组组成成成成的的的的片片片片群群群群总总总总应应应应变变变变几几几几乎乎乎乎为为为为零零零零，

12、这这这这就就就就是是是是马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变的自适应现象。的自适应现象。的自适应现象。的自适应现象。通通通通常常常常的的的的形形形形态态态态记记记记忆忆忆忆合合合合金金金金依依依依据据据据马马马马氏氏氏氏体体体体与与与与母母母母相相相相的的的的晶晶晶晶体体体体学学学学关关关关系系系系，共共共共有有有有六六六六个个个个这这这这样样样样的的的的片片片片群群群群，形形形形成成成成24242424种种种种马马马马氏氏氏氏体体体体变变变变体体体体。如如如如图图图图5-35-35-35-3所所所所示示示示，记记记记忆忆忆忆合合合合金金金金的的的的24242424个个个个变变变变体体体体

13、组组组组成成成成六六六六个个个个片片片片群群群群及及及及其其其其晶晶晶晶体体体体学学学学关关关关系系系系，惯惯惯惯习习习习面面面面绕绕绕绕6 6 6 6个个个个110110110110分分分分布布布布，形形形形成成成成6 6 6 6个片群。个片群。个片群。个片群。图图5-3 24个自适应马氏体变体个自适应马氏体变体 每每片片马马氏氏体体形形成成时时都都伴伴有有形形态态的的变变更更。这这种种合合金金在在单单向向外外力力作作用用下下，其其中中马马氏氏体体顺顺应应力力方方向向发发生生再再取取向向，即即造造成成马马氏氏体体的的择择优优取取向向。当当大大部部分分或或全全部部的的马马氏氏体体都都实实行行一

14、一个个取取向向时时，整整个个材材料料在在宏宏观观上上表表现现为为形形变变。对对于于应应力力诱诱发发马马氏氏体体，生生成成的的马马氏氏体体沿沿外外力力方方向向择择优优取取向向，在在相相变变同同时时，材材料料发发生生明明显显变变形形，上上述述的的24个个马马氏氏体体变变体体可可以以变变成成同同一一取取向的单晶马氏体。向的单晶马氏体。过程过程2：将将变变形形马马氏氏体体加加热热到到As点点以以上上，马马氏氏体体发发生生逆逆转转变变，因因为为马马氏氏体体晶晶体体的的对对称称性性低低，转转变变为为母母相相时时只只形形成成几几个个位位向向，甚甚至至只只有有一一个个位位向向母母相相原原来来的的位位向向。尤尤

15、其其当当母母相相为为长长程程有有序序时时，更更是是如如此此。当当自自适适应应马马氏氏体体片片群群中中不不同同变变体体存存在在强强的的力力学学偶偶时时，形形成成单单一一位位向向的的母母相相倾倾向向更更大大。逆逆转转变变完完成成后后，便便完完全全回回复复了了原原来来母母相相的的晶晶体体，宏宏观观变变形形也也完完全全复复原。原。过程过程4：形形态态记记忆忆合合金金母母相相的的结结构构比比较较简简洁洁，一一般般为为具具有有高高对对称称性性的的立立方方点点阵阵，且且绝绝大大部部分分为为有有序序结结构构。马马氏氏体体的的晶晶体体结结构构较较母母相相困困难难，对对称称性性低低，且且大大多多为为长长周周期期堆

16、堆垛垛，同同一一母母相相可可有有几几种种不不同同的的马马氏氏体体结结构构，见见表表5-l。假假如如考考虑虑内内部部亚亚结结构构，马马氏氏体体结结构构则则更更为为困困难难：如如9R，18R马马氏氏体体的的亚亚结结构构为为层层错错，3R与与2H马氏体的亚结构为孪晶。马氏体的亚结构为孪晶。目目前前已已知知的的一一些些形形态态记记忆忆合合金金，除除In-Tl，Fe-Pd和和Mn-Cu合合金金为为无无序序结结构构外外，其其余余都都是是有有序序结结构构。一一般般地地说说，形形成成有有序序晶晶格格和和热热弹弹性性型型马马氏氏体体相相变变是是形形态态记记忆忆合合金金的的基基本本条件。条件。表表5-1 形态记忆

17、合金的母相与马氏体结构形态记忆合金的母相与马氏体结构 注注：符符号号所所代代表表的的相相结结构构 B2CsCl或或CuZn型型立立方方有有序序结结构构；DO3BiF3或或BiLi3型型面面心心立立方方有有序序结结构构；B19AuCd型型正正交交晶晶格格；FCT面面心心正正交交晶晶格格；Ll2AuCu3 I型立方有序结构；型立方有序结构；BCT体心四方晶体。体心四方晶体。5.1.3形态记忆效应与伪弹性形态记忆效应与伪弹性 形态记忆效应有三种形式。形态记忆效应有三种形式。第第一一种种称称为为单单向向形形态态记记忆忆效效应应，即即将将母母相相冷冷却却或或加加应应力力，使使之之发发生生马马氏氏体体相相

18、变变，然然后后使使马马氏氏体体发发生生塑塑性性变变形形，变变更更其其形形态态，再再重重新新加加热热到到As以以上上，马马氏氏体体发发生生逆逆转转变变，温温度度升升至至Af点点，马马氏氏体体完完全全消消逝逝，材材料料完完全全复复原原母母相相形形态态。一一般般没没有有特特殊殊说说明明，形形态态记记忆忆效效应应都都是是指指这这种种单单向向形形态态记记忆忆效效应应，见见图图5-5(a)。图图5-5 形态记忆效应的三种形式形态记忆效应的三种形式 有有些些形形态态记记忆忆合合金金在在加加热热发发生生马马氏氏体体逆逆转转变变时时，对对母母相相有有记记忆忆效效应应；当当从从母母相相再再次次冷冷却却为为马马氏氏

19、体体时时，还还回回复复原原马马氏氏体体的的形形态态，这这种种现现象象称称为为双双向向形形态态记记忆忆效效应应，又又称称可可逆逆形形态态记记忆忆效效应应。如如图图5-5(b)。第第三三种种状状况况是是在在Ti-Ni合合金金系系中中发发觉觉的的，在在冷冷热热循循环环过过程程中中，形形态态回回复复到到与与母母相相完完全全相相反反的的形形态态，称称为为全全方方位位形形态态记记忆忆效效应应。见图见图5-5(c)。l l 应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，去除应力后，马氏体消逝，应变也随之应变，去除应力后，马氏体消逝，应变也随之回复，这种现象称为伪弹性或超弹性。

20、回复，这种现象称为伪弹性或超弹性。l l形态记忆效应和伪弹性的出现与温度和应力有形态记忆效应和伪弹性的出现与温度和应力有干脆关系。干脆关系。图图图图中中中中(a)(a)表表表表示示示示合合合合金金金金在在在在MfMf温温温温度度度度以以以以下下下下的的的的拉拉拉拉伸伸伸伸。在在在在MfMf以以以以下下下下，马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相在在在在热热热热力力力力学学学学上上上上是是是是稳稳稳稳定定定定的的的的，应应应应力力力力除除除除去去去去后后后后，有有有有一一一一部部部部分分分分应应应应变变变变残残残残留留留留下下下下来来来来。这这这这时时时时假假假假如如如如在在在在AsAs以以以以上上上

21、上温温温温度度度度加加加加热热热热，变变变变形形形形会会会会消消消消逝逝逝逝，即即即即出出出出现现现现形形形形态态态态记记记记忆忆忆忆效效效效应。应。应。应。图图5-6 Cu-14.5Al-4.4Ni(重量重量)合金单晶体合金单晶体 在不同温度拉伸时的应力在不同温度拉伸时的应力-应变曲线应变曲线 图图图图中中中中(b)(b)表表表表示示示示合合合合金金金金在在在在MsMs和和和和AsAs之之之之间间间间的的的的温温温温度度度度范范范范围围围围拉拉拉拉伸伸伸伸，由由由由于于于于应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变，使使使使合合合合金金金金产产产产生生生生附附附

22、附加加加加应应应应变变变变，加加加加热热热热可可可可使使使使变形消逝。与变形消逝。与变形消逝。与变形消逝。与(a)(a)相同，属于形态记忆效应。相同，属于形态记忆效应。相同，属于形态记忆效应。相同，属于形态记忆效应。图图5-6 Cu-14.5Al-4.4Ni(重量重量)合金单晶体合金单晶体 在不同温度拉伸时的应力在不同温度拉伸时的应力-应变曲应变曲线线 图图图图中中中中(c)(c)、(d)(d)表表表表示示示示合合合合金金金金在在在在AfAf以以以以上上上上温温温温度度度度进进进进行行行行拉拉拉拉伸伸伸伸，此此此此时时时时马马马马氏氏氏氏体体体体只只只只有有有有在在在在应应应应力力力力作作作作

23、用用用用下下下下才才才才是是是是稳稳稳稳定定定定的的的的，合合合合金金金金的的的的变变变变形形形形是是是是由由由由于于于于应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变引引引引起起起起的的的的，应应应应力力力力卸卸卸卸除除除除，变变变变形形形形即即即即消消消消逝逝逝逝，马马马马氏氏氏氏体体体体逆逆逆逆转转转转变变变变为为为为母母母母相相相相。这这这这种种种种不不不不通通通通过过过过加加加加热热热热即即即即复复复复原原原原到到到到母母母母相相相相形形形形态态态态的的的的现象称为超弹性或伪弹性。现象称为超弹性或伪弹性。现象称为超弹性或伪弹性。现象称为超弹性或伪弹性。图图5

24、-6 Cu-14.5Al-4.4Ni(重量重量)合金单晶体合金单晶体 在不同温度拉伸时的应力在不同温度拉伸时的应力-应变曲应变曲线线 不不仅仅对对母母相相施施加加应应力力诱诱发发马马氏氏体体相相变变会会产产生生伪伪弹弹性性，而而且且在在Mf温温度度下下，应应力力能能诱诱发发具具有有其其它它结结构构的的马马氏氏体体。这这种种应应力力诱诱发发马马氏氏体体在在热热力力学学上上是是不不稳稳定定的的，仅仅能能在在应应力力下下存存在在，应应力力除除去去后后，逆逆转转变变为为原原始始结结构构马马氏氏体体而出现伪弹性。而出现伪弹性。图图5-7 (Cu，Ni)3Al合金单晶的温度合金单晶的温度-应力状态图应力状

25、态图 如如如如图图图图5-75-7，给给给给出出出出了了了了Cu-Al-NiCu-Al-Ni合合合合金金金金单单单单晶晶晶晶体体体体的的的的内内内内部部部部组织变更及相变点温度、应力的关系。组织变更及相变点温度、应力的关系。组织变更及相变点温度、应力的关系。组织变更及相变点温度、应力的关系。由由由由图图图图可可可可见见见见，随随随随着着着着应应应应力力力力的的的的增增增增加加加加，合合合合金金金金的的的的MsMs点点点点向向向向高高高高温温温温移移移移动动动动。当当当当合合合合金金金金急急急急冷冷冷冷至至至至MsMs点点点点以以以以下下下下时时时时，首首首首先先先先生生生生成成成成1(2H)1

26、(2H)马马马马氏氏氏氏体体体体，1(18R2)1(18R2)是是是是由由由由ll应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发产产产产生生生生的的的的，11是是是是由由由由11应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发产产产产生生生生的的的的，进进进进一一一一步步步步加加加加载载载载，11和和和和11均均均均转转转转变变变变为为为为11。即即即即应应应应力力力力变变变变更更更更了了了了热热热热力力力力学学学学条条条条件件件件，诱诱诱诱发发发发一一一一种种种种结结结结构构构构的的的的马马马马氏氏氏氏体体体体向向向向另另另另一一一一种种种种结结结结构构构构的的的的马马马马氏氏氏氏体转变，从而使合金呈现伪弹性。体转变，从

27、而使合金呈现伪弹性。体转变，从而使合金呈现伪弹性。体转变，从而使合金呈现伪弹性。表表5-2 具有伪弹性的合金及马氏体结构具有伪弹性的合金及马氏体结构 从从逆逆转转变变引引起起形形态态复复原原这这个个角角度度来来看看，形形态态记记忆忆合合金金都都会会表表现现出出超超弹弹性性(在在原原理理上上)。二二者者本本质质是是相相同同的的，区区分分只只是是变变形形温温度度与与最最初状态初状态(马氏体还是母相马氏体还是母相)不同。不同。假假假假如如如如合合合合金金金金塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形的的的的临临临临界界界界应应应应力力力力较较较较低低低低 如如如如图图图图中中中中(B)(B)线线线线，在在在在

28、应应应应力力力力较较较较小小小小时时时时，就就就就出出出出现现现现滑滑滑滑移移移移，发发发发生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形，则则则则合合合合金金金金不不不不会会会会出出出出现伪弹性。现伪弹性。现伪弹性。现伪弹性。图图5-8 形态记忆效应与超弹性出现条件的模式图形态记忆效应与超弹性出现条件的模式图 反反反反之之之之，当当当当临临临临界界界界应应应应力力力力较较较较高高高高 图图图图中中中中(A)(A)线线线线 时时时时，应应应应力力力力未未未未达达达达到到到到塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形的的的的临临临临界界界界应应应应力力力力(未未未未发发发发生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形

29、形)就就就就出出出出现现现现了了了了超超超超弹性。弹性。弹性。弹性。从从从从MsMs点点点点引引引引出出出出的的的的直直直直线线线线表表表表示示示示温温温温度度度度高高高高于于于于MsMs时时时时，应应应应力力力力诱诱诱诱发发发发马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变所须要的临界应力。所须要的临界应力。所须要的临界应力。所须要的临界应力。在在在在MsMs点点点点以以以以下下下下温温温温度度度度对对对对合合合合金金金金变变变变形形形形只只只只产产产产生生生生形形形形态态态态记记记记亿亿亿亿效效效效应应应应，不不不不出出出出现现现现伪伪伪伪弹弹弹弹性；在性；在性；在性；在AfAf以上温度对材料施

30、加应力，只出现伪弹性。以上温度对材料施加应力，只出现伪弹性。以上温度对材料施加应力，只出现伪弹性。以上温度对材料施加应力，只出现伪弹性。5.2 形态记忆合金种类形态记忆合金种类（1）钛）钛-镍系合金、镍系合金、（2）铜系合金、）铜系合金、（3）铁系合金三大类。）铁系合金三大类。另外，近年发觉一些聚合物和陶瓷材料也另外，近年发觉一些聚合物和陶瓷材料也具有形态记忆功能，其形态记忆原理与合金具有形态记忆功能，其形态记忆原理与合金不同，还有待于进一步探讨。不同，还有待于进一步探讨。目前已好用化的形态记忆材料只有目前已好用化的形态记忆材料只有Ti-Ni系合金和铜系形态记忆合金。系合金和铜系形态记忆合金。

31、5.2.1 Ti-Ni5.2.1 Ti-Ni系合金系合金系合金系合金表表5-4 Ti-Ni合金有关性能指标合金有关性能指标 Ti-NiTi-Ni合合合合金金金金中中中中有有有有三三三三种种种种金金金金属属属属化化化化合合合合物物物物：Ti2NiTi2Ni，TiNiTiNi和和和和TiNi3TiNi3，TiNiTiNi的的的的高高高高温温温温相相相相是是是是CsClCsCl结结结结构构构构的的的的体体体体心心心心立立立立方方方方晶晶晶晶体体体体(B2)(B2)，低低低低温温温温相相相相是是是是一一一一种种种种困困困困难难难难的的的的长长长长周周周周期期期期堆堆堆堆垛垛垛垛结结结结构构构构B19B

32、19，属属属属单单单单斜斜斜斜晶晶晶晶系系系系。高高高高温温温温相相相相(母母母母相相相相)与与与与马马马马氏氏氏氏体体体体之之之之间间间间的的的的转转转转变变变变温度温度温度温度(Ms)(Ms)点随合金成分及其热处理状态而变更。点随合金成分及其热处理状态而变更。点随合金成分及其热处理状态而变更。点随合金成分及其热处理状态而变更。为为为为了了了了得得得得到到到到良良良良好好好好的的的的记记记记忆忆忆忆效效效效应应应应，通通通通常常常常在在在在10001000左左左左右右右右固溶后，在固溶后，在固溶后，在固溶后，在400400时效，再淬火得到马氏体。时效，再淬火得到马氏体。时效，再淬火得到马氏体

33、。时效，再淬火得到马氏体。1.Ti-Ni合金结构合金结构图图5-9 Ti-Ni二元合金状态图二元合金状态图 时时效效处处理理一一方方面面能能提提高高滑滑移移变变形形的的临临界界应应力力，另另一一方方面面能能引引起起R相相变变。R相相变变是是B2点点阵阵受受到到沿沿方方向向的的菱菱形形畸畸变变的的结结果果。通通过过时时效效处处理理、反反复复进进行行相相变变和和逆逆转转变变及及加加入入其其它它元元素素，当当母母相相转转变变为为R相相时时，相相变变应应变小于变小于1，逆转变的温度滞后小于，逆转变的温度滞后小于1.5K。2.时效处理作用：时效处理作用：相相变变温温度度的的变变动动和和形形变变动动作作的

34、的变变更更可可使使元元件件动动作作温温度度失失常常，使使调调整整器器的的作作用用力力不不稳稳定定，而材料的疲惫寿命则确定着元件的运用限度。而材料的疲惫寿命则确定着元件的运用限度。（1）合合金金在在加加热热-冷冷却却循循环环中中，伴伴随随着着相相变变温度的变动；温度的变动；（2）反反复复形形变变过过程程中中，相相变变温温度度和和形形变变动动作的变更也影响材料的疲惫寿命。作的变更也影响材料的疲惫寿命。3.Ti-Ni合金的稳定性：合金的稳定性：NiTiNiTi合合合合金金金金从从从从高高高高温温温温母母母母相相相相冷冷冷冷却却却却到到到到通通通通常常常常的的的的马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变

35、变之之之之前前前前，要要要要发发发发生生生生菱菱菱菱形形形形结结结结构构构构的的的的R R相相相相变变变变，使使使使电电电电阻阻阻阻率率率率陡陡陡陡峭峭峭峭增增增增高高高高。在在在在马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变发发发发生生生生后后后后，电电电电阻阻阻阻率率率率又又又又急急急急剧剧剧剧降降降降低低低低，形形形形成成成成一一一一个个个个独独独独特特特特的的的的电电电电阻阻阻阻峰峰峰峰，在在在在反反反反复复复复进进进进行行行行马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变的的的的热热热热循循循循环环环环之之之之后后后后，合合合合金金金金相相相相变变变变温温温温度度度度将将将将可可可可能能能能发

36、发发发生生生生变变变变更更更更。见见见见图图图图5-105-10，N N为为为为热热热热循循循循环环环环数数数数，箭箭箭箭头头头头所所所所指指指指为为为为相相相相变变变变点点点点位位位位置置置置。由由由由图图图图可可可可见见见见，热热热热循循循循环环环环使使使使Ms-MfMs-Mf相相相相变变变变温度区增大了。温度区增大了。温度区增大了。温度区增大了。图图5-10 热循环对热循环对NiTi合金电阻合金电阻-温度曲线的影温度曲线的影响响(1273K3.6ks固溶处理固溶处理)（1）热循环的影响：）热循环的影响：（1 1）冷冷冷冷加加加加工工工工：对对对对该该该该状状状状态态态态的的的的材材材材料

37、料料料进进进进行行行行应应应应变变变变量量量量大大大大于于于于2020的的的的深深深深度度度度加加加加工工工工，产产产产生生生生高高高高密密密密度度度度位位位位错错错错提提提提高高高高s(s(滑滑滑滑移移移移形形形形变变变变抗抗抗抗力力力力)，可可可可消消消消退退退退上上上上述影响。述影响。述影响。述影响。（2 2）时时时时效效效效处处处处理理理理使使使使合合合合金金金金形形形形成成成成稳稳稳稳定定定定析析析析出出出出物物物物，也也也也可可可可以以以以阻阻阻阻挡挡挡挡滑滑滑滑移移移移形形形形变变变变的的的的进进进进行行行行，达达达达到到到到稳稳稳稳定定定定相相相相变温区的目的。变温区的目的。变

38、温区的目的。变温区的目的。图图5-11 Ti-Ni50.6(at)合金时效处理后的相变热循环合金时效处理后的相变热循环(1273K/3.6ks固溶，固溶，673K/3.6ks时效时效)解决措施：解决措施：形形变变循循环环对对伪伪弹弹性性的的影影响响除除应应力力大大小小外外，与形变方式也有很强的依存关系。与形变方式也有很强的依存关系。措措施施：对对时时效效处处理理材材料料进进行行冷冷加加工工的的综综合合处处理理或或“训训练练”，可可以以维维持持更更稳稳定定的的伪伪弹弹性动作。性动作。（2）形变循环的影响及措施：）形变循环的影响及措施：图图5-12 形变循环对形变循环对TiNi合金伪弹性的影响合金

39、伪弹性的影响 (a)固溶处理；固溶处理；(b)、(c)时效处理；时效处理；(d)冷加工；冷加工；(e)时效与冷加工复合处理；时效与冷加工复合处理；(f)进行过训练进行过训练 近近年年来来在在Ti-Ni合合金金基基础础上上，加加入入Nb，Cu，Fe，Al，Si，Mo，V，Cr，Mn，Co，Zr，Pb等等元元素素，开开发发了了Ti-Ni-Cu，Ti-Ni-Nb，Ti-Ni-Pb，Ti-Ni-Fe，Ti-Ni-Cr等等新新型型Ti-Ni合合金金。上上述述合合金金元元素素对对Ti-Ni合合金金的的Ms点点有有明明显显影影响响，也也使使As温温度度降降低低，即即使使伪伪弹弹性性向向低低温温发发展展。Ti

40、-Ni系系合合金金是是最最有有好好用用前前景景的的形形态态记记忆忆材材料料，性性能能优优良良，牢牢靠靠性性好好，并并且且与与人人体体有有生生物物相相容容性性，但但成成本本高高，加加工工困困难。难。5.2.2铜系形态记忆合金铜系形态记忆合金 与与Ti-Ni合合金金相相比比，Cu-Zn-Al制制造造加加工工简简洁洁，价价格格便便宜宜，并并有有良良好好的的记记忆忆性性能能，相相变变点点可可在在确确定定温温度度范范围围内内调调整整，见见表表5-5，不同成分的不同成分的Cu-Zn-Al合金相变温度不同。合金相变温度不同。表表5-5 部分部分Cu-Zn-Al合金的转变温度范围合金的转变温度范围处处处处理理

41、理理工工工工艺艺艺艺对对对对其其其其相相相相变变变变点点点点也也也也有有有有影影影影响响响响。且且且且随随随随热热热热循循循循环环环环次次次次数数数数的的的的增增增增加加加加，Cu-Zn-AlCu-Zn-Al合合合合金金金金的的的的MsMs和和和和AfAf点点点点一一一一起起起起上上上上升升升升，见见见见图图图图5-135-13。与与与与此此此此不不不不同同同同，Cu-Al-NiCu-Al-Ni合合合合金金金金的的的的MsMs和和和和AfAf点点点点却却却却随随随随热热热热循循循循环环环环次次次次数数数数的的的的增增增增加加加加而而而而缓缓缓缓慢慢慢慢降降降降低，这些影响因素可以用热循环过程中

42、位错的增殖来说明。低，这些影响因素可以用热循环过程中位错的增殖来说明。低，这些影响因素可以用热循环过程中位错的增殖来说明。低，这些影响因素可以用热循环过程中位错的增殖来说明。图图5-13 热循环对相交温度的影响热循环对相交温度的影响 (a)Cu-Zn-Al合金合金 (b)Cu-Al-Ni合金合金 在在Cu-Zn-Al合合金金中中，位位错错成成为为马马氏氏体体的的形形核核点点，而而在在Cu-Al-Ni合合金金中中，位位错错使使DO3型型结结构构的的母母相相的的有有序序度度下下降降。前前者者由由于于生生成成残残留留马马氏氏体体，在在约约103次次热热循循环环后后，已已能能看看到到形形态态记记忆忆效

43、效应应衰衰退退，而而后后者者由由于于不不生生成成残残留留马马氏氏体体可可以以期期望望得得到到更更稳稳定定的的性性能能。考考虑虑到到特特性性变变更更的的缘缘由由在在于于位位错错的的导导入入，故故为为改改善善热热循循环环特特性性，可可接接受受细细化化晶晶粒粒的的方方法法提提高高滑滑移移形形变变抗抗力力s，如如加加入入Ti，Mn，V，B及及稀土元素。稀土元素。解决措施：解决措施：一一般般铜铜基基合合金金在在Af点点以以上上经经过过最最初初几几个个应应力力循循环环后后即即出出现现应应变变残残留留，在在Cu-Zn三三元元系系合合金金中中，对对相相变变不不利利的的方方向向晶晶粒滑移形变特殊显著，残留有相当

44、的应变。粒滑移形变特殊显著，残留有相当的应变。图图5-7 (Cu，Ni)3Al合金单晶的温度合金单晶的温度-应力状态图应力状态图 对对对对于于于于Cu-Al-NiCu-Al-Ni合合合合金金金金，见见见见图图图图5-75-7，由由由由于于于于母母母母相相相相强强强强度度度度高高高高，滑滑滑滑移移移移变变变变形形形形难难难难以以以以进进进进行行行行，单单单单晶晶晶晶中中中中，在在在在1 1 11相相相相变变变变伪伪伪伪弹弹弹弹性性性性循循循循环环环环时时时时尽尽尽尽管管管管应应应应力力力力很很很很高高高高，回回回回线线线线的的的的形形形形态态态态却却却却几几几几乎乎乎乎不不不不变变变变。但但但但

45、在在在在多多多多晶晶晶晶中中中中，由由由由于于于于难难难难以以以以引引引引起起起起滑滑滑滑移移移移形形形形变变变变，残残残残留留留留应应应应变变变变小小小小则则则则应应应应力力力力集集集集中中中中未未未未能能能能缓缓缓缓和，因此变得特别脆。和，因此变得特别脆。和，因此变得特别脆。和，因此变得特别脆。Cu-Al-Ni合金由于调整应变不协调，滑合金由于调整应变不协调，滑移形变难以进行，故无论在哪一种形变方式移形变难以进行，故无论在哪一种形变方式下，多晶的疲惫寿命都比单晶低。可以通过下，多晶的疲惫寿命都比单晶低。可以通过晶粒细化和加工时效处理来改善疲惫特性。晶粒细化和加工时效处理来改善疲惫特性。探讨

46、表明，探讨表明，Cu-Zn-Al合金通过粉末压制的方合金通过粉末压制的方法，可以使疲惫寿命大幅度改善。法，可以使疲惫寿命大幅度改善。总之，铜系形态记忆合金由于热稳定性总之，铜系形态记忆合金由于热稳定性差，晶界易断裂，及多晶合金疲惫特性差等差，晶界易断裂，及多晶合金疲惫特性差等弱点，大大限制了其好用化。不过铜基合金弱点，大大限制了其好用化。不过铜基合金的优势也不容忽视。的优势也不容忽视。5.2.3 铁系形态记忆合金铁系形态记忆合金 铁系形态记忆合金发展较晚，主要有铁系形态记忆合金发展较晚，主要有Fe-Pt，Fe-Pd，Fe-Ni-Co-Ti，Te-Mn-Si等合等合金，另外，目前已知高锰钢和不锈

47、钢也具有金，另外，目前已知高锰钢和不锈钢也具有不完全性的形态记忆效应。不完全性的形态记忆效应。铁基形态记忆合金成本较铁基形态记忆合金成本较Ti-Ni系和铜系系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势。显的竞争优势。目目前前的的探探讨讨集集中中在在Fe-Mn-Si合合金金上上，在在铁铁基基记记忆忆合合金金中中加加入入Cr，Ni，Co，Ti等等合合金金 元元 素素，可可 改改 善善 形形 态态 记记 忆忆 效效 应应。Fe14Mn6Si9Cr5Ni合合金金的的形形态态复复原原率率可可达达5，具有好用性。，具有好用性。有有人人对对铁铁基基形形态态

48、记记忆忆合合金金的的耐耐蚀蚀性性能能作作了了深深化化探探讨讨，结结果果表表明明：FeMnSiCrNi合合金金在在碱碱性性介介质质中中具具有有较较好好的的耐耐蚀蚀性性，其其耐耐腐腐蚀蚀性性能能是是不不锈锈钢钢的的45倍倍，抗抗晶晶间间腐腐蚀蚀性性也也优优于不锈钢。于不锈钢。5.3 形态记忆材料的应用形态记忆材料的应用5.3.1 工程应用工程应用 形态记忆材料在工程上的应用很多，形态记忆材料在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，加紧固件、最早的应用就是作各种结构件，加紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些限制元件，如一些与温度有关的传感及些限制

49、元件，如一些与温度有关的传感及自动限制。自动限制。60年年头头初初Ti-Ni合合金金首首次次被被用用于于海海军军飞飞机机液压系统的接头，并取得了成功。液压系统的接头，并取得了成功。美美国国已已在在喷喷气气式式战战斗斗机机的的液液压压系系统统中中运运用用了了10多多万万个个这这类类接接头头，至至今今未未有有漏漏油油或或破破损损、脱落等事故。脱落等事故。形态记忆合金管接口用形态记忆合金用形态记忆合金用形态记忆合金用形态记忆合金加工成内径比欲加工成内径比欲加工成内径比欲加工成内径比欲连接管的外径小连接管的外径小连接管的外径小连接管的外径小4 4的套管，然的套管，然的套管，然的套管，然后在低温后在低温

50、后在低温后在低温(Mf(Mf以以以以下温度下温度下温度下温度)将套管将套管将套管将套管扩径约扩径约扩径约扩径约8 8，装，装，装，装配后，当温度升配后，当温度升配后，当温度升配后，当温度升到室温，套管复到室温，套管复到室温，套管复到室温，套管复原原来的内径，原原来的内径，原原来的内径，原原来的内径，形成紧密的压合。形成紧密的压合。形成紧密的压合。形成紧密的压合。这这类类管管接接头头还还可可用用于于舰舰船船管管道道、海海底底输输油油管管道道的的修修补补，代代替替在在海海底底难难以以进进行行的的焊焊接接工工艺艺。据据报报导导，最最近近研研制制的的宽宽滞滞后后Ti-Ni合合金金(向向Ti-Ni合合金