形状记忆合金综述

形状记忆合金 摘要：扼要地阐述了形状记忆合金机理、常用制备方法、介绍了形状记忆合金 的发展前景。关键词：形状记忆合金、形状记忆效应、NiTi、锻造、热挤压、轧制、拉拔、 冷加工、粉末成形、包套碎片挤压成形、溅射沉积薄膜引言：形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定 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。研究表 明，很多合金材料都具有SME，但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较 大形状回复力的，才具有利用价值。到目前为止，应用最多的是Ni2Ti合金和铜 基合金。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。1 形状记忆效应的机理具有马氏体逆转变，且 Ms 与 As 温度相差很小的合金，将其冷却到 Ms 点 一下，马氏体晶核随着温度下降逐渐长大，温度上升的时候，马氏体相又反过来 同步地随温度升高而缩小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，这种马氏 体称为热弹性马氏体。在 Ms 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 称为应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时候马氏 体长大，反之，马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体称为应力弹性 马氏体。应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当除去应力时，这种附 加应力也随之消失，这种现象称为超弹性或者伪弹性。将母相淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑性变形，变形后的合金受热 时，马氏体发生逆转变，开始回复母相原始状态，唯独升高至 Af 时，马氏体消 失，合金完全恢复到母相原来的形状，呈现形状记忆效应。如果对母相施加应力， 诱发其马氏体形成并发生形变，随后逐渐减小应力直至除去时，马氏体最终消失， 合金恢复至母相的原始形状，呈现伪弹性。2 形状记忆合金的加工方法加工工艺：锻造f 热挤压f 轧制和拉拔f 冷加工f 粉末成型f包套碎片挤压成型f溅射沉积薄膜f成品2.1 锻造NiTi合金是高温延展性良好的材料。当温度超过400C以后，拉伸强度下降， 与此相反，延伸率迅速增加，可见，如果温度范围定的合理，合金无论锤锻，压 力机上锻造或径向锻造都是比较容易进行的。实践表明锻造温度不宜高于 900C，否则合金表面将剧烈氧化而产生，低熔点混合物相，这是间隙氧污染物 质，具有脆化合金的作用。另一方面温度分布不宜低于750C，否则材料的变形 抗力增大，缺口敏感性突出，常易造成撕裂性质的破坏，使废品率增加。因此，锻造温度范围为750C900C。铸锭锻造前需经850C，12h均匀退 火，然后，加加工去除表面氧化皮和冒口，再锻成棒料。2.2 热挤压铸锭经机加工后用碳钢包裹，然后在900C挤压，挤压比为4:116:1.挤压后 坯料在600C退火1h,然后炉冷。2.3 轧制和拉拔棒料轧制一般可在普通多机座连续轧机上进行。起轧温度820 C20C。轧 制板材的设备最好带有预应力装置，板材轧制温度应略高于棒材，但不高于 900C.否则氧化皮增加影响材质。坯料厚度从30mm轧至2.83.2mm采用9道次。轧制带材的方法不同于棒材和板材，最好温轧。轧制前后应有一定的张力。 用通电的方法使材料保持温度（500C600C）,以免出现加工硬化，每一道次压 下量应控制在0.20.3mm左右。NiTi合金在70C以上存在异常打的速度加工硬化。冷加工必须正确掌握变 形率和中间退火。冷轧的道次变形率应小于2%，冷拔为10%。每道的中间退火 温度宜采用650C700C。经研究表明：清除NiTi合金加工硬化以650C20C 为最佳。合金丝的冷拔工艺为：中间退火温度为750C，退火时间15min,润滑剂用 肥皂，拔丝速度小于6m/min，第一道次冷拔量15%20%，其后的道次冷拔量为 10%左右。 2次退火间总拔量为 40%45%。2.4 冷加工NiTi合金的布氏硬度虽然只有90上下，但切削性能很差，特别是钻孔时， 如用高速钢刀具，则寿命更短，所以一般使用硬质合金刀具。切削速度应适中， 过快或过慢都不好，磨削加工以采用碳化硅系列的硅轮为佳。2.5 粉末成形NiTi记忆合金的机加工性能较差，近年来人们开始研究采用免除或减少加工 工序的粉末冶金方法和精铸方法来制造记忆合金零件。目前大致有两种粉末成形的方法：(1) 用预制的Ni-Ti合金粉末经过2次热等静压扩散烧结，主要用于制备拉 丝的优质毛坯。(2) 直接用Ni和Ti粉作原料经过一次烧结和热等静压处理。试样制备工艺是：将350目Ti粉和还原的羟基Ni粉50% (原子数分数)的 比例混合，至于石墨模中在热压机上烧结。再经过包套轧制和高压等静压处理后， 进行均匀化处理。试样密度是理想材料的 95%97%，但回复率只有熔炼材料的 70%左右。2.6 包套碎片挤压成形 包套碎片挤压成形是一种新发展的加工工艺。这种方法具有以下特点：(1) 用大块的纯金属作为原材料，和粉末冶金相比可以减少气体杂志污染。(2) 每一片碎片可以作为具有理想化学成分的加工元素，产生不了宏观偏析。(3) 挤压过程中的剪切变形加强了碎片之间的连接。(4) 在包套轧制中平面应变变形方式和以后的加工过程轴对称方式相结合，使 合金材料的可加工性增加程度足以获得致密组织的细丝。与锻造工艺制造的丝材 相比，用这种工艺制造的丝材的杨氏模量，屈服应力高而延展率低 ，并具有很 高的减震能。2.7 溅射沉积薄膜利用直流或射频磁控溅射仪可以制备 NiTi 形状记忆合金薄膜，薄膜制备技 术的发展促使了 NiTi 合金由块状材料走向薄膜材料，并使记忆合金的元器件趋 于微型化。用射频磁控管溅射法在玻璃基片上沉积 NiTi 薄膜，其溅射条件如下：首先 将溅射系统抽真空,其真空度优于10-3Pa,然后充入高纯氩气，氧气压力为0.3IPa (底压力2.1x10-5Pa)，基片温度523K，射频功率为160600W；基片至靶的距 离80mm，沉积时间2h，沉积速度为1.11.2nm/s，薄膜厚度在0.0520/m。经 过预先溅射数小时后沉积NiTi合金薄膜的组成即等于NiTi合金靶的组成。溅射沉积的薄膜呈非晶态，没有形状记忆效应，必须经过适当的晶化热处理， 将刚刚溅射沉积的非晶Ni-Ti合金薄膜在真空室中经550C晶化热处理0.5h,以 20C/min的速率冷却到室温，然后将薄膜从玻璃基片上剥离下来。3 形状记忆合金的发展在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠 性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA研究 的进一步深化 ,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系 统。结论从上述的加工方法可以看出，热加工NiTi合金成材的主要方法，只要严格 控制变形温度、变形程度和变形速度即可以获得较高的成材率。用冷加工的方法 通过控制每道次加工量和反复适当的中间退火也能生产保证产品质量的丝材。但 实践表明，模具损坏的速度快，难以在实际生产中应用。通过各种加工方法得到 的型材，其加工费用很高。因此，在推广 NiTi 合金的实际应用中，有待研究开 发减少加工或一次成形多的生产加工方法，降低成本。参考文献1 舟久保，形状记忆合金，台湾台南；后汉出版社， 1984；120-1592 杜忠全， NiTi 形状记忆合金的发展，国外金属加工， 1991（3）；56-603 杨海波等， NiTi 形状记忆合金的熔炼与加工，上海钢铁研究所（形状记忆合 金专辑）， 1990（1）；22-254 Snkao Snito， A new fabrication process of NiTi shape memory wire . Meterials science engineering A161,1993,91-965 宫峰飞等. NiTi 形状记忆薄膜的力学行为，金属学报， 1998,34,（2）；119-122