马氏体相变与形状记忆合金课件

马氏体相变与形状记忆合金马氏体相变与形状记忆合金马氏体相变与形状记忆合金课件马氏体相变与形状记忆合金课件目录1、马氏体相变2、形状记忆合金的马氏体相变3、有序结构4、形状记忆合金的训练5、超弹性合金目录1、马氏体相变1、马氏体相变相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化时，物相在某一特定条件下发生的突变。时，物相在某一特定条件下发生的突变。相变表现为：相变表现为：1 1）从一种结构转变为另一种结构。）从一种结构转变为另一种结构。2 2）化学成分的不连续变化。）化学成分的不连续变化。3 3）物质物理性能的突变。）物质物理性能的突变。1、马氏体相变相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化相变表1、马氏体相变相变会产生相界面(a)共格界面共格界面(b)半共格界面半共格界面(c)非共格界非共格界面面1、马氏体相变相变会产生相界面(a)共格界面从原子迁移情况来分从原子迁移情况来分扩散型相变扩散型相变：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子：相变过程中伴随有元素的扩散，组成原子在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的在较大范围迁移，相变速率较慢。如奥氏体向珠光体的转变。转变。无扩散型相变无扩散型相变：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变，：以晶格畸变为主的位移型无扩散相变，如马氏体相变。如马氏体相变。1、马氏体相变从原子迁移情况来分1、马氏体相变马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移.1、马氏体相变马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走形象对说，马氏体相变就像解放军走分列式，各原子“动作整齐，步调一致”。1、马氏体相变形象对说，马氏体相变就像解放军走分列式，1、马氏体相变扩散型相变就像团体操，原子从有序的A状态转变为B状态。转变过程中，各原子有长程的，看似紊乱的热运动（也就是扩散）。1、马氏体相变扩散型相变就像团体操，原子从有序的A状态转变为B状态。转变过1、马氏体相变1、马氏体相变四四十十年年代代前前后后，在在Fe-NiFe-Ni、Fe-MnFe-Mn合合金金以以及及许许多多有有色色金金属属及及合合金金中中也也发发现现了了马马氏氏体体转转变变。不不仅仅观观察察到到冷冷却却过过程程中中发发生生的的马马氏氏体体转转变变；同同时时也也观观察察到到了了在在加加热热过过程程中中所所发发生生的的马马氏体转变。氏体转变。由由于于这这一一新新的的发发现现，人人们们不不得得不不把把马马氏氏体体的的定定义义修修定定为为：“在在冷冷却却过过程程中中所所发发生生马马氏氏体体转转变变所所得得产产物物统统称称为为马马氏氏体体 ”。把把以以晶晶格格畸畸变变为为主主的的位位移移型型无无扩扩散散相相变变统统称称为为马马氏体相变。氏体相变。1、马氏体相变四十年代前后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多有色金属及共析碳钢共析碳钢C曲线图曲线图马氏体转变有一上限温马氏体转变有一上限温度，这一温度称为马氏度，这一温度称为马氏体转变的体转变的开始温度，用开始温度，用Ms表示。表示。马马氏氏体体转转变变还还有有一一个个下下限限温温度度，用用Mf表表示示，当当奥奥氏氏体体过过冷冷到到Mf以以下下时时转转变变也也不不能能再再进进行行了了。称称为为马马氏氏体体转转变变的的下下限限温温度度或或马马氏氏体体终终了了点点。也也就就是是说说马马氏氏体体转转变变是是在在MsMf之之间间进行的。进行的。1、马氏体相变共析碳钢C曲线图马氏体转变有一上限温度，这一温度称为马氏体转普通马氏体相变普通马氏体相变热弹性热弹性马氏体相变马氏体相变温度2、形状记忆合金的马氏体相变普通马氏体相变温度2、形状记忆合金的马氏体相变普通铁碳合金：普通铁碳合金：非热弹性非热弹性非热弹性非热弹性马氏体相变马氏体相变马氏体相变马氏体相变相变温度滞后约为几百度相变温度滞后约为几百度各个马氏体片几乎是在瞬间各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终大小，且不会因就长到最终大小，且不会因温度降低而再长大。温度降低而再长大。非热弹性马氏体非热弹性马氏体普通铁碳合金：非热弹性马氏体形状记忆合金：形状记忆合金：热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变其相变温度滞后约几十其相变温度滞后约几十度，有的形状记忆合金度，有的形状记忆合金只有几度的温度滞后只有几度的温度滞后冷却过程中形成的马氏冷却过程中形成的马氏体会随温度的变化而继体会随温度的变化而继续长大或收缩，母相和续长大或收缩，母相和马氏体相的相界面表现马氏体相的相界面表现出弹性式的推移，出弹性式的推移，在相在相变的全过程中一直保持变的全过程中一直保持着良好的协调性着良好的协调性热弹性马氏体热弹性马氏体形状记忆合金：热弹性马氏体热滞后热滞后，反映的是马氏体转变的阻力！MfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATUREMfMsAsAfAusteniteMartensiteTEMPERATURE(twinned)(twinned)热滞后热滞后，反映的是马氏体转变的阻力！MfMsAsAfAu马氏体相变与形状记忆合金课件形状记忆合金中的两种相形状记忆合金中的两种相高温相：奥氏体（通常为立方晶系）形状记忆合金中的两种相高温相：奥氏体（通常为立方晶系）形状记忆合金中的两种相形状记忆合金中的两种相低温相：马氏体（通常为斜方相）正常马氏体孪生马氏体形状记忆合金中的两种相低温相：马氏体（通常为斜方相）温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体温度诱发马氏体相变，产物为孪生马氏体温度和应力作用下得到的马氏体形态不同。在应力作用下，对孪生马氏体进行变形，使其转变为退孪生马氏体。完成转变的应力开始转变的应力宏观形状发生改变温度和应力作用下得到的马氏体形态不同。在应力作用下，对孪生马应力卸载后，宏观形状改变得到保留。然后对弯曲的别针加热，将回复到原始形状。应力卸载后，宏观形状改变得到保留。如果材料同时具有热弹如果材料同时具有热弹性马氏体相变和应力马性马氏体相变和应力马氏体相变。氏体相变。先将奥氏体冷却变为先将奥氏体冷却变为马氏体。马氏体。在马氏体区域进行变在马氏体区域进行变形形在温度的作用下自动在温度的作用下自动变为奥氏体。并回复形变为奥氏体。并回复形状。状。形状记忆效应示意图形状记忆效应示意图如果材料同时具有热弹性马氏体相变和应力马氏体相变。先将奥钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？钢铁材料也有马氏体相变，为什么没有形状记忆效应？形状恢复完全可逆需具备以下条件：形状恢复完全可逆需具备以下条件：形状恢复完全可逆需具备以下条件：形状恢复完全可逆需具备以下条件：马氏体相变是热弹性的马氏体相变是热弹性的马氏体相变是热弹性的马氏体相变是热弹性的母相和马氏体呈现母相和马氏体呈现母相和马氏体呈现母相和马氏体呈现有序有序有序有序的点阵结构的点阵结构的点阵结构的点阵结构马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现马氏体的变形，必须是通过孪晶来实现马氏体相变在晶体学上是可逆的马氏体相变在晶体学上是可逆的马氏体相变在晶体学上是可逆的马氏体相变在晶体学上是可逆的母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（母相的弹性极限高，足够大的热弹性能（E E E E热热热热）来）来）来）来驱动马氏体相变驱动马氏体相变驱动马氏体相变驱动马氏体相变形状恢复完全可逆需具备以下条件：DifferentphasesofanSMA有序性，是为了阻止原子的扩散。为了维持有序性，原子就不能乱跑。3、有序结构DifferentphasesofanSMA有序性具有形状记忆效具有形状记忆效应的应的NiTiNiTi合金的合金的成分就在近等原成分就在近等原子比的范围内子比的范围内Ti-Ni合金相图合金相图注注意意：实实用用成成分分的的TiNi合合金金在在固固溶溶处处理理后后，如如果果随随后后的的冷冷却却不不够够快快(如如炉炉冷冷)，就就会会产产生生Ti2Ni和和Ni3Ti这这三三个个金金属属间间化化合合物物，由由于于这这两两种种相相不不具具有有可可逆逆性性，因因而而破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。破坏了形状记忆效果。需要尽量避免该类相的产生。具有形状记忆效应的NiTi合金的成分就在近等原子比的范围内T马氏体相变与形状记忆合金课件时效后的马氏体会表现的更加“稳定”，其表现为从马氏体相回到母相的逆相变转变温度Af会升高。实效过程，会形成第二相实效过程，会形成第二相时效后的马氏体会表现的更加“稳定”，其表现为从马氏体相回到母马氏体时效效应可以形象的理解为：用记忆合金制备的血栓过滤器，如果放置时间过久，会导致本来该在人体温度（37左右）打开的支架，需要45才能打开。马氏体时效效应可以形象的理解为：用记忆合金制备的血栓过滤器，4、形状记忆合金的训练单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其变形，再加热时恢复为高温形状，4、形状记忆合金的训练单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种实现形状记忆，前提是形成孪生马氏体+对孪生马氏体进行变形。然后加热变形后的别针，可以回到原来的形状。4、形状记忆合金的训练实现形状记忆，前提是形成孪生马氏体+对孪生马氏体进行变形。然实现双程形状记忆，其关键在于，用降温过程完成（形成孪生马氏体+对孪生马氏体进行变形）的功能。马氏体如何才能乖乖的听话，仅用温度就能实现转变和变形。4、形状记忆合金的训练实现双程形状记忆，其关键在于，用降温过程完成（形成孪生马氏体4、形状记忆合金的训练4、形状记忆合金的训练马氏体转变就如同彪悍的狮王，需要食物+皮鞭。但是经过驯化后，只需要食物就能搞定。4、形状记忆合金的训练马氏体转变就如同彪悍的狮王，需要食物+皮鞭。但是经过驯化后，在外加应力下，用温度对形状记忆合金进行驯化。训练结束后，不需要应力，只用温度就能实现双向转变。4、形状记忆合金的训练在外加应力下，用温度对形状记忆合金进行驯化。训练结束后，不需驯兽，是改变了动物的内心世界。驯形状记忆合金：是改变了材料内部的缺陷组态。4、形状记忆合金的训练驯兽，是改变了动物的内心世界。4、形状记忆合金的训练训练过程：在外加应力下改反反复复变温度。平时看的温度驱动马氏体转变，是在无应力状态下，事实上，无应力状态也不具备什么特别的含义。如果升高到随机的应力状态后，温度依然可以驱动马氏体相变的发生。只是所需温度会发生变化。4、形状记忆合金的训练训练过程：平时看的温度驱动马氏体转变，是在无应力状态下，事实每一个循环都会留下永久变形该变形量越来越小，直到趋于零，训练完成训练过程是为了引入内部缺陷，在该内部缺陷的作用下，降温时才会转变为孪生马氏体，否则不具备形状记忆效应。如果对训练完成的合金进行退火处理，缺陷组态消失，将失去形状记忆功能。需要重新训练才能恢复。4、形状记忆合金的训练每一个循环都会留下永久变形训练过程是为了引入内部缺陷，在该内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要受热就能恢复原状受热就能恢复原状，有时可残留永久变形。，有时可残留永久变形。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一一定值。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合合金约为金约为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。形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只要受热就能恢复原状，有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。形状记忆合金要避免过热，即在形状记忆合金受约束状态下，不要达5、超弹性合金普通材料：弹性应变区域非常有限，一旦超过弹性极限（也就是屈服强度），材料将发生永久塑性变形。5、超弹性合金普通材料：弹性应变区域非常有限，一旦超过弹性极5、超弹性合金5、超弹性合金5、超弹性合金5、超弹性合金5、超弹性合金若若加加载载与与变变形形是是在在超过某一特定的温度下下进进行行时时，则则产产生生的的变变形形量量无无需需加加热热只只需需卸卸载载后后便便能能自自然然回回复复。这这种种现现象象叫叫超超弹弹性性效效应应(伪弹性伪弹性)。5、超弹性合金若加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则3、超弹性合金 在超弹性效应中，能回弹的延伸量很大，可比一般钢的弹性形变量达810倍3、超弹性合金在超弹性效应中，能回弹的延伸量很大，可比5、超弹性合金5、超弹性合金5、超弹性合金5、超弹性合金思考题对于CuZnAl形状记忆合金。为什么温度越高，“强度”反而越高？思考题对于CuZnAl形状记忆合金。为什么温度越高，“强度”