形状记忆合金课件

文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。主要内容主要内容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分类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制备形状记忆合金的制备形状记忆合金的制备形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用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发展形状记忆合金的发展文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n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温度失温度Af)上时，上时，材料恢复到变形前的初始形状材料恢复到变形前的初始形状。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。形状记忆效应原理形状记忆效应原理n形形状状记记忆忆合合金金在在一一定定范范围围内内发发生生塑塑性性变变形形后后，经经加加热热到到某某一一温温度度后后能能够够恢恢复复变变形形，实实质质是是热热弹性马氏体相变弹性马氏体相变。n马马氏氏体体在在外外力力下下变变形形成成某某一一特特定定形形状状，加加热热时时已已发发生生形形变变的的马马氏氏体体会会回回到到原原来来奥奥氏氏体体状状态态，这这就就是是宏宏观观形形状状记记忆忆现现象，如右图所示。象，如右图所示。图图6 6 形状记忆效应形状记忆效应过程的示意图过程的示意图文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。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错层错；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。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n随随着着形形状状记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。n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。图图7 传统热诱导形状记忆合金传统热诱导形状记忆合金Magnetic field图图8 磁诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。合金成分合金成分n呈呈现现形形状状记记忆忆效效应应的的合合金金，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素的的合金都算在内，则有合金都算在内，则有100种以上种以上。n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基基合金合金。n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，不不适适于工业生产。于工业生产。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。nTiNi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。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n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。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。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，有应力腐蚀破不良，有应力腐蚀破坏坏加工性加工性不良不良不太好不太好记忆处理记忆处理较易较易相当难相当难表表2 TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对比合金性能对比文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。形状记忆效应形状记忆效应n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况可以分为三类：情况可以分为三类：n单程形状记忆效应单程形状记忆效应n双程形状记忆效应双程形状记忆效应n全程记忆效应全程记忆效应冷却冷却图图10 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)全程全程文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。（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，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复）放入热水中，高温下恢复奥氏体状态，形状完全恢复图图11 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文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。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图图12 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文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。图图13 TiNi合金的全程记忆效应（合金的全程记忆效应（100-室温）室温）图图14 TiNi合金的全程记忆效应（低温合金的全程记忆效应（低温-100）文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。形状记忆处理形状记忆处理n形形状状记记忆忆合合金金的的制制备备通通常常是是先先制制备备合合金金锭锭，之之后后进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。n为为把把形形状状记记忆忆合合金金用用做做元元件件，有有必必要要使使它它记记住住给给定形状。定形状。n形形状状记记忆忆处处理理(一一定定的的热热处处理理)是是实实现现合合金金形形状状记记忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。TiNi合金单程形状记忆处理合金单程形状记忆处理n单程记忆处理方法有三种单程记忆处理方法有三种中温处理中温处理低温处理低温处理时效处理时效处理中中温温处处理理是是将将轧轧制制或或拉拉丝丝加加工工后后充充分分加加工工硬硬化化的的合合金金成成形形成成给给定定形形状状，在在400-500温温度度下下保保温温几几分分钟钟到几小时，使之记住形状的方法。到几小时，使之记住形状的方法。此方法由于此方法由于工艺简单而被广泛采用工艺简单而被广泛采用。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。低低温温处处理理是是在在高高于于800的的温温度度下下保保温温后后进进行行完完全全退退火火，然然后后在在室室温温下下制制成成特特定定形形状状，在在200-300的低温下保温一定时间的低温下保温一定时间，以记忆其形状的方法。，以记忆其形状的方法。由由于于在在完完全全退退火火的的软软状状态态下下进进行行加加工工，有有利利于于合合金金记记住住复杂形状或曲率很小的形状复杂形状或曲率很小的形状。时时效效处处理理是是一一种种在在800-1000温温度度下下固固溶溶处处理理后后进进行行淬淬火火，然然后后在在400-500的的温温度度下下进进行行几几小小时时时时效处理的方法。效处理的方法。只对只对Ni含量高于含量高于50.5at的富的富Ni合金有效。合金有效。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。TiNi合金双程记忆处理合金双程记忆处理合合金金具具有有双双程程记记忆忆效效应应是是因因为为合合金金中中存存在在方方向向性性的的应应力力场场或或晶晶体体缺缺陷陷，相相变变时时马马氏氏体体容容易易在在这这种种缺缺陷陷处处形形核，同时发生核，同时发生择优生长择优生长。通过通过记忆训练记忆训练(强制变形强制变形)获得双程记忆能力：获得双程记忆能力：先获得单程记忆效应先获得单程记忆效应，记忆高温相的形状；，记忆高温相的形状；随随后后在在低低于于Ms温温度度，根根据据需需要要形形状状进进行行一一定定限限度度的的可可恢恢复复变变形形；加加热热到到As以以上上温温度度，试试样样恢恢复复到到高高温温态态形形状状后后，又又降降低低到到Ms以下，再变形试件，使之成为低温所需形状以下，再变形试件，使之成为低温所需形状；如此如此反复多次反复多次后，就可获得双向记忆效应。后，就可获得双向记忆效应。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。TiNi合金全程记忆处理合金全程记忆处理n全全程程记记忆忆效效应应的的出出现现是是由由于于与与基基体体共共格格的的Ti11Ni14析出相产生的某种固定的内应力所导致，析出相产生的某种固定的内应力所导致，应应力力场场控控制制了了马马氏氏体体可可逆逆相相变变的的路路径径，使使马马氏氏体体的的可可逆相变按固定路径进行。逆相变按固定路径进行。n全全程程记记忆忆处处理理的的关关键键是是限限制制性性时时效效，必必须须根根据据需需要选择合适的约束时效工艺。要选择合适的约束时效工艺。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n改变合金成份的配方比例改变合金成份的配方比例，可以调节记忆合金的唤醒温度。例，可以调节记忆合金的唤醒温度。例如在制造如在制造NiTiNiTi记忆合金时，如使两种成分对半掺，唤醒温度为记忆合金时，如使两种成分对半掺，唤醒温度为8080，如把，如把NiNi的配合比例减少千分之一，而将的配合比例减少千分之一，而将TiTi增加千分之一，增加千分之一，则唤醒温度降为则唤醒温度降为7070，当，当NiTiNiTi之比为之比为45.554.345.554.3时，唤醒温度时，唤醒温度恰巧是恰巧是00。n在在TiNiTiNi合金中合金中掺杂掺杂AuAu或或PtPt可以显著提高合金的相变温度，使之可以显著提高合金的相变温度，使之成为高温形状记忆合金，加入成为高温形状记忆合金，加入NbNb可以使相变热滞增大到可以使相变热滞增大到140140，而加入，而加入CuCu后相变热滞则锐减至后相变热滞则锐减至4 4。n另一方面，随着材料先进制备技术的飞速发展，另一方面，随着材料先进制备技术的飞速发展，纳米化处理纳米化处理也也越来越多地应用于形状记忆合金中。越来越多地应用于形状记忆合金中。形状记忆合金的其他处理形状记忆合金的其他处理文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。形状记忆合金使用中的问题形状记忆合金使用中的问题n形形状状记记忆忆合合金金并并不不是是无无论论承承受受怎怎样样的的变变形形只只要受热就能恢复原状要受热就能恢复原状，有时可残留永久变形。，有时可残留永久变形。n为为保保持持良良好好形形状状记记忆忆特特性性，形形变变量量不不能能超超过过一定值。一定值。循循环环使使用用次次数数少少时时，TiNi合合金金约约为为6，CuZnAl合金约为合金约为2；循环使用次数多时，分别低于循环使用次数多时，分别低于2和和0.5。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n形形状状记记忆忆合合金金要要避避免免过过热热，即即在在形形状状记记忆忆合合金金受受约约束状态下，不要达到比束状态下，不要达到比Af点高很多的温度。点高很多的温度。线线圈圈过过热热，相相变变引引起起的的形形状状恢恢复复应应力力超超过过丝丝材材本本身身的的屈屈服应力，服应力，合金的形状记忆特性变坏。合金的形状记忆特性变坏。合合金金长长时时间间置置于于高高温温，产产生生不不能能完完全全记记住住该该温温度度下下形形状状的现象，即的现象，即记忆力减退记忆力减退。当当TiNi合合金金和和CuZnAl合合金金长长时时间间分分别别置置于于250和和90以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。工业应用工业应用图图15 NiTi形状记忆合金折叠发射形状记忆合金折叠发射 自动张开的宇航天线原理图自动张开的宇航天线原理图宇航天线宇航天线文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。连接件和紧固件连接件和紧固件形状记忆管接头形状记忆管接头F-14文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n密闭中空结构件中很难进行紧固操作，形状记忆密闭中空结构件中很难进行紧固操作，形状记忆紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。(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铆钉形状记忆紧固铆钉此外，形状记忆合金还可应用于智能机器人、能量转换热机、此外，形状记忆合金还可应用于智能机器人、能量转换热机、保险器和继电器等。保险器和继电器等。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。医学应用医学应用n金属埋植入人体内时必须考虑其生物相容性。金属埋植入人体内时必须考虑其生物相容性。n如如果果埋埋植植体体对对人人体体组组织织是是一一种种活活性性物物质质，那那么么它它会会造造成成周周围围的的组组织织和和细细胞胞发发生生变变性性，出出现现炎炎症症充充血血循循环障碍，导致人体组织坏死；环障碍，导致人体组织坏死；n如如果果埋埋植植体体是是一一种种非非活活性性物物质质，那那么么由由纤纤维维细细胞胞分分泌泌的的骨骨胶胶原原纤纤维维在在它它周周围围形形成成纤纤维维组组织织，这这种种纤纤维维组组织织在在埋埋植植体体上上生生成成薄薄膜膜，使使它它在在人人体体组组织织中中能能够够稳定存在。稳定存在。TiNi合金的生物相容性合金的生物相容性文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n经经过过试试验验观观察察覆覆膜膜形形状状、覆覆膜膜组组织织、埋埋植植周周围围的的骨骨骼骼和和肌肌肉肉状状态态以以及及接接骨骨板板的的耐耐腐腐蚀蚀性性发发现现：TiNi合合金金的的生生物物相相容容性性很很好好，在在医医学学领领域域具具有有巨巨大大的的应应用用价值。价值。NiTi合金接骨板合金接骨板文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材进行矫正。矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材进行矫正。n牙牙齿齿矫矫形形用用金金属属丝丝有有不不锈锈钢钢丝丝和和CoCr合合金金丝丝，这这些些材材料料具具有有弹弹性性模模量量高高、弹弹性性应应变变小小，微微小小变变形形可可获获得得很很大大的的矫矫正正力力，对对患患者者造造成成疼疼痛痛和和不不适适，同同时时还还容易产生塑性变形。容易产生塑性变形。利利用用NiTi形形状状记记忆忆合合金金的的超超弹弹性性使使得得在在加加载载和和卸卸载载过过程程中中压压力力恒恒定定，即即使使应应变变高高达达10也也不不会会产产生生塑塑性变形。性变形。牙齿矫形丝牙齿矫形丝文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。应应力力诱诱发发马马氏氏体体相相变变使使弹弹性性模模量量呈呈现现非非线线性性特特性性，即即使使应应变变增增大大，矫矫正正力力却却增增加加很很少少，永永久久应应变变远远远远小小于于不不锈锈钢钢丝丝，在在大大变变形形范范围围内内可可持持续续释释放放比比其他材料更加恒定的矫正力其他材料更加恒定的矫正力。NiTiNiTi合金牙齿矫形丝合金牙齿矫形丝文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。nNiTi矫矫形形丝丝不不仅仅操操作作简简便便，而而且且疗疗效效也也好好，可可减减轻患者的不适感。轻患者的不适感。n1980年年，中中国国就就开开始始研研制制NiTi合合金金矫矫形形丝丝，北北京京有有色色金金属属研研究究总总院院与与北北京京口口腔腔医医院院合合作作，研研制制出出NiTi合金牙弓丝，称为合金牙弓丝，称为“中国中国NiTi牙弓丝牙弓丝”。NiTi牙齿矫形丝牙齿矫形丝文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n此外，此外，NiTi形状记忆合金还可用做牙根种植体、形状记忆合金还可用做牙根种植体、形脊柱人造关节、形脊柱人造关节、NiTi合金聚髌器、接骨用骑合金聚髌器、接骨用骑缝钉、锯齿臂环抱固定器、缝钉、锯齿臂环抱固定器、人工心脏用人造肌肉、人工心脏用人造肌肉、血栓血栓过滤器、过滤器、冠状动脉内支架等等。冠状动脉内支架等等。聚髌器聚髌器形状记忆加压骑缝钉形状记忆加压骑缝钉锯齿臂环抱固定器锯齿臂环抱固定器文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。日常生活日常生活n空空调调排排气气口口上上装装有有百百叶叶板板，风风向向在在制冷时向上、取暖时向下。制冷时向上、取暖时向下。n利利用用形形状状记记忆忆元元件件传传感感和和驱驱动动特特性性制制造造上上下下自自动动转转换换的的百百叶叶板板。安安装装在在排排气气口口的的形形状状记记忆忆线线圈圈随随排排气气温温度度变变化化进进行行收收缩缩或或张张开开，和和另另一一侧侧偏偏动动弹弹簧簧一一起起完完成成双双程程动动作作，自自动动控制百叶板运动。控制百叶板运动。n经经10万万次次以以上上的的动动作作后后证证实实，形形状状记忆特性没有任何下降。记忆特性没有任何下降。空调百叶板空调百叶板空调百叶板空调百叶板文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。利利用用形形状状记记忆忆合合金金弹弹簧簧可可以以控控制制浴浴室室水水管管的的水水温温，在在热热水水温温度度过过高高时时通通过过“记记忆忆”功功能能，调调节节或或关关闭闭供供水水管管道道，避避免烫伤。免烫伤。混水阀混水阀文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。法国巴黎用形状记忆合金制造城市照明灯，有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、灭而逐渐张开或合上的叶片。两瓣随着灯的亮、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，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。让灯泡显露出来进行照明。形状记忆路灯形状记忆路灯形状记忆路灯形状记忆路灯文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。n形形状状记记忆忆合合金金在在自自动动收收进进烟烟头头的的烟烟灰灰缸缸、为为调调整整头头发发受受力力通通过过加加热热温温度度改改变变卷卷发发管管径径的的卷卷发发轴轴环环、眼镜、儿童玩具等上也有不少应用。眼镜、儿童玩具等上也有不少应用。形状记忆眼镜形状记忆眼镜智能烟灰缸智能烟灰缸智能卷发器智能卷发器文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。未来形状记忆合金的材料研究将向高温、低温、宽滞后、窄滞后、双程、全程、色调记忆等方向发展,工艺研究将向低成本、微型化加工、高质量、多品种的目标迈进,开发研制记忆合金多孔材料、薄膜、超细丝、纤维等具有全新用途的功能材料。记忆合金元件的小型化、智能化、大型化是元件设计的不同方向。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。廉价的铜基形状记忆合金的工程应用也必将成为形状记忆合金领域研究的热点。其中高耐热稳定性形状记忆合金、宽的相变滞后宽度和良好的加工成形能力的形状记忆合金、超低温或高温应用记忆合金将是铜基形状记忆合金材料研究的重点。文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。