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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,第三节 形状记忆合金,飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自我修复裂痕。,在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自行封合。,我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据外界环境自我判断、自我适应、自我修复。,请你想象一下,1988年4月28日波音737飞机在美国出现灾难性断裂事故，如今飞机的事故仍在继续发生。,2019年5月12日我国发生了举世震惊的汶川大地震，伤亡惨重。,第三节 形状记忆合金飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自,1,一、形状记忆合金的发现过程,1932年,瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发现形状记忆效应。,1938年,哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。但当时并未引起人们的重视。,1962年,美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记忆合金引起了极大的关注。,此后的,40多年,的研究过程中，在相变理论应用研究上都取得了很大的成就。目前已发现具有形状记忆效应的合金涉及7、8个合金系，达几十种合金。其中Ni-Ti合金和Cu基合金已进入工业应用，其范围涉及国防、汽车、机械、能源、交通、生物医学及及常生活等领域。,一、形状记忆合金的发现过程1932年 瑞典人欧勒特在观察某,2,形状记忆合金演示实验,材料在一定的温度下会恢复一定的形状，仿佛记住了温度所赋予的形状一样。,形状记忆合金演示实验 材料在一定的温度下会恢复,3,铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立方铁。,这种由相同的原子组成的不同的晶体结构，在材料学中又称为不同的“相”。,体心立方铁和面心立方铁属不同的“相”，前者称为,Fe(铁素体),，后者称为,Fe（奥氏体）,。,二、形状记忆合金记忆效应,前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。,铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立方铁。二、,4,人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”，就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度，使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。,形状记忆合金,(Shape Memory Alloy)，简称,SMA,，是具有形状记忆效应的合金。,合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。,这种热弹性马氏体不像Fe-C合金中的马氏体那样，在加热转变成它的母相（奥氏体）之前即发生分解，而是,加热时直接转成它的母体,。,人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”，就能演出一幕幕“,5,将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来；,将变形了的试样加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。,图中Mf表示冷却时转变的终止温度，Af表示逆转完全的温度。,将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的,6,形状记忆效应可分为三类：,单程记忆效应：,在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。,双程记忆效应（可逆形状记忆效应）：,加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。,全程记忆效应：,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。这是一种特殊的双程记忆效应。,形状记忆效应可分为三类：,7,三、马氏体相变与形状记忆效应,1.形状记忆合金的特性,合金在某一温度下变形后，仍保持其变形的形状，但当温度升高到某一温度时，其形状恢复到变形前的原形状，即对以前的形状保持记忆特性，称为,形状记忆效应,。形状记忆合金与普通材料的变形及恢复特性差别如图1所示。,三、马氏体相变与形状记忆效应,8,普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后可恢复到原来形状，无永久变形，但当变形超过弹性范围时再去除载荷，材料不能恢复到原来形状而保留永久变形，加热并不能使此永久变形消除，如图1a所示。而形状记忆合金在变形超过弹性范围时，去载后虽也有残留变形，但当加热到某一温度时，残留变形消失而恢复到原来形状，如图1c。另外，形状记忆合金变形超过弹性范围后，在某一程度内，当去除载荷后，也能徐徐返回原形，如图1b所示，这一特性称为,超弹性,。如CuAINi合金，当伸长超过20%(大于弹性极限)后，去载仍可恢复。,图1 形状记忆效应和超弹性,a)普通金属；b)超弹性；c)形状记忆,普通金属和合金，在弹性范围变形时，载荷去除后,9,2.温度的单程与双程形状记忆,将高温母相冷却到开始在母相中发生马氏体转变的温度称为,马氏体开始相变温度,M,s,，继续冷却到马氏体相变停止的温度称为,M,f,；将处于低温的马氏体相加热，到开始发生马氏体到母相的逆相变的温度称为,A,s,，继续加温到某一温度，马氏体相全部转变到原母相的状态，此温度为,A,f,。,形状记忆效应一般以形状回复率,来表示。设试样在母相态时的原始形状(若以长度表示)为,l,0,，马氏体态时经形变(若为拉伸)为,l,1,，经高温逆相变后为,l,2,，则,2.温度的单程与双程形状记忆,10,3.非热弹性、热弹性和半热弹性马氏体相变,（1）非热弹性马氏体,马氏体一旦形核转变，在10,-7,s的瞬间即长成最终状态，并且不随温度下降而长大。在马氏体逆相变时和马氏体相变一样，需要一定的过热度，母相同样在马氏体中形核并迅速长大。开始逆转变温度,A,s,总是高于,M,s,，因为逆相变驱动力,G,MP,和,G,PM,几乎相等，于是,G,MP,和,G,PM,为零时的平衡温度都为,T,0,，则有平衡温度,T,0,为,非热弹性马氏体相变热滞大、,A,s-,M,s温差大，相变时，母相晶体产生塑性变形，两相界面不具有协调性，相界面不能随温度变化可逆往复迁动。无形状记忆效应或仅显示有限记忆效应，如一般钢中的马氏体。,3.非热弹性、热弹性和半热弹性马氏体相变 非,11,（2）热弹性马氏体,马氏体和母相的晶体点阵呈完全的晶体学可逆性的马氏体相变称为,热弹性马氏体相变,。分成两类：,第一类是,M,s,-,M,f,的间隔温度小，而且,A,s,M,s,，如AuCd(镉)合金、CuAlNi等合金；,第二类是,M,s,-,M,f,的间隔温度大，而且,A,s,L,时，形状回复率,随应变,的增加而下降。,4),循环效应,用于驱动元件的形状记忆合金在实际使用过程中，一般都要经过反复的热循环，即经历反复的相变-逆相变，而且经常要进行伴随变形的热机械循环，即相变-变形-逆相变。,2.铜-基形状记忆合金,铜基材料中的形状记忆效应大多在20世纪70年,19,(3),其他铜基形状记忆合金,1)Cu-Al-Ni-Mn-Ti,相变温度高，耐热性好，适用于较高温度，可达成,200,。,2)Cu-Zn-Al-Mn-Ni-Ti,良好的形状记忆性能，室温下最大可回复应变达,4.0%,。,3)Cu-Al-Mn-Zn-Zr,用作为连接件，如管接头、铆钉等形状记忆合金。,4)Cu-Al-Mn-Co,改善形状记忆效果和伪弹性、延性和双程记忆效效应。,5)Cu-Al-Nb,含少量铌(,0.27%),时淬火态合金的回复率,可达,98%。,目,前市场销售的形状记忆合金主要为,Ni-Ti,和,Cu-Zn-AI,两类。,Ni-Ti,合金，因其优越的形状记忆特性和超弹性，特别是它具有良好的生物相容性能适用于医用器件。,铜基形状记忆合金则以其加工制造容易、价格低廉、导电导热率高而在某些动作频次要求不很高的场合获得了广泛的应用，特别适用于制作各种热保护元件，如淋浴器防烫阀门、消防防火阀门、通信器材防雷击器材等装置中的热驱动元件。,(3)其他铜基形状记忆合金,20,1.工程应用,（1）连接紧固件,利用优良的形状记忆效应制成各种连接紧固件，如管接头、紧固圈、连接套管和紧固铆钉等。记忆合金连接件结构简单、重量轻、所占空间小，安全性高、拆卸方便、性能稳定可靠，已被广泛用于航天、航空、电子和机械工程等领域。,管接头。,是形状记忆合金最成功的应用之一，自20世纪70年以来，在美国各种型号飞机上已成功使用数百万只，至今无一例失效。NiTiNb宽滞后形状记忆合金经适当变形处理相变滞后高达150，用其制成管接头可以在常温下储存和运输。,五、形状记忆合金的应用,1.工程应用五、形状记忆合金的应用,21,先将其加工成内径比连接管的外径小的套管，在低温下（M状态）进行扩孔，然后套在需连接的管子外面，升温至室温，由于其形状记忆效应，孔径收缩，形成紧密地压合，从而实现紧固连接。,先将其加工成内径比连接管的外径小的套管，在低,22,紧固圈。,美国Rachem公司研制生产的NiTiNb宽滞后记忆合金同轴电缆屏蔽网和接头的紧固圈，在美国通信工程和信号装置中已广泛应用。,紧固圈。美国Rachem公司研制生产的NiTiNb,23,套管连接。,用铜套导记忆合金的套管进行加热，实现安装连接，其原理图如图9所示。俄罗斯曾在MIR空间站上使用这种方法，成功地连接了长15m空间桁架。,图9 套管连接：1-插杆；2-插孔；3-记忆合金,套管连接。用铜套导记忆合金的套管进行加热，实现安装,24,记忆合金管接头,奥氏体相下的紧缩套管,升温,马氏体相下的膨胀套管,记忆合金管接头 奥氏体相下的紧缩套管升温 马氏体相下的膨胀,25,紧固铆钉。,把铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固件的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开实现紧固。可用于不易用通常方法实现铆接的地方。见图10。,图10 形状记忆合金铆钉连接,紧固铆钉。把铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧,26,（2）驱动元件,利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其恢复力可对外作功的特点，能够制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。对只需一次性动作的驱动元件，要求记忆合金具有较大的恢复力和良好的记忆效应；对于需多次使用的温控元件，则要求记忆合金具有优良稳定的记忆性能、疲劳性能和较窄的相变滞后，以保证动作安全可靠，响应迅速。,左图是一个双程CuZnAl记忆合金弹簧。该弹簧是随温度变化自行伸缩的感温驱动元件。采用CuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，典型伸缩温度为6585，自由状态为45mm，伸长状态为200mm。可见其形变量较大，可以产生足够的驱动力。,（2）驱动元件左图是一个双程CuZnAl记忆合金弹簧。该弹簧,27,温室窗控制。,图11是用于温室恒温控制的动作元件，利用铜基形状记忆合金的弹簧的双程记忆效应，随温度变化的伸长和缩短，可控制温室窗的开闭大小，自动调节温室的温度，热滞后可保持在12。,图11 温室温度控制元件,汽车发动机冷却风扇。,在汽车冷却风扇上安装铜基形状记忆合金的螺旋弹簧，随发动室的温度变化发生形状记忆，使在温度高到一个规定值时，离合器接触，风扇转动，汽车噪声和油耗。温度降低时，离合器分离，风扇停止转动，可降低汽车噪声和油耗。,温室窗控制。图11是用于温室恒温控制的动作元,28,（3）宇宙飞船的通信天线,1970年，美国将NiTi形状记忆合金形用于宇宙飞船天线。在宇宙飞船发射之前，室温下将经过形状记忆处理的NiTi合金丝折成直径在5cm以下的球状放入飞船，飞船进入太空轨道后，通过加热或者是利用太阳热能，升温到77，被折成球状的合金丝就完全打开，成为原先设定的抛物面形状天线，解决大型天线的携带问题。,（3）宇宙飞船的通信天线,29,形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一项应用。图为NASA中心制作完成了30%比例的智能机翼模型。在高速度、等角机翼后缘控制等实飞条件下取得到了成功。,（4）自适应智能机翼,形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有,30,形状记忆元件
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