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1、,物理所：高萌 邢令义,形状记忆合金,拥有“大脑”的合金,？,Yes,I can also remember,没放入热水前,放入热水后,冷却至室温后,再次放入热水后,双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况,引例,主要内容,形状记忆合金及马氏体相变形状记忆效应的两种主要机理形状记忆合金的分类及性能应用,形状记忆合金及马氏体相变,形状记忆合金,形状记忆合金(Shape Memory Effect,简称SMA)具有形状记忆效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金。,形状记忆效应（Shape Memory Effect,简称SME）在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变
2、形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象。,相相变 马氏体,马氏体相变,相：系统中具有确定成分和结构的部分叫做相。,材料的一个相具有不同于其他相的物理、化学特性。当系统的外在约束条件（如温度、压力等）改变时，物相将发生改变，相变的同时，材料的性能也发生改变。,相变的条件：（1）化学成分的变化（2）晶体结构的变化（3）有序程度的变化,回顾,铁的两种晶体结构：体心立方结构（存在于两个温度范围内，912以下称铁，1394以上称铁）；面心立方结构（存在于9121394之间，称铁）,以钢为例介绍马氏体相变,碳在钢中的两种主要存在形式：溶入铁中
3、与铁形成固溶体；与铁形成铁碳化合物，称渗碳体（Fe3C）。碳溶于铁中形成的固溶体称铁素体；溶于 铁中形成的固溶体称奥氏体，其最大溶解度为2.11。,过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线),马氏体,珠光体,贝氏体,奥氏体,A1至550为高温转变区，转变产物为珠光体（P）550Ms为中温转变区，转变产物为贝氏体（B）MsMf为低温转变区，转变产物为马氏体（M）,马氏体相变,当母相奥氏体快速冷却时，奥氏体转变成片状或针状新相，新相为体心四方结构，与母相的结构不同，但新相与母相的成分相同。人们把钢经高温淬火后形成的相叫做马氏体相。从奥氏体到马氏体的转变叫做马氏体相变，马氏体相变是无扩散型相变。,产生形状记忆
4、的条件,形状记忆效应的两种主要机理,热弹性马氏体相变应力诱发的马氏体相变,降温过程中，奥氏体将转变成马氏体。马氏体转变开始和终了温度分别以Ms、Mf表示；加热过程中，马氏体逆相变开始和终了温度分别以As、Af表示。对于不同材料，这些特征温度不同。马氏体逆相变中存在热滞后现象，使得As大于Ms。按As-Ms的大小和马氏体的生长特征将马氏体相变分成非热弹性马氏体相变和热弹性马氏体相变两类。,热弹性马氏体相变,Au-Cd合金的相变属热弹性马氏体相变，相变温度滞后很小，As-Ms约10，马氏体核心以突发式成核并长到一定大小，马氏体相和母相间保持着弹性平衡。温度下降时，相变化学自由能增大，马氏体长大的推
5、动力增大，马氏体片的厚度、大小继续增加，同时也可能形成新的马氏体核心。,反之，如果升高温度，则转变就向相反的方向进行，即马氏体逆转变为奥氏体，马氏体片就缩小，甚至完全消失。在这种情况下，只要马氏体界面上的共格性未被破坏，则马氏体片可随着驱动力的改变而反复发生长大或缩小。具有这种特征的马氏体称为“热弹性马氏体”。,应力诱发马氏体相变,超弹性(superelasticity)变形 对母相状态的样品在Af温度以上施加外力，随外力增加，样品首先发生遵循虎克(Hook)定律的弹性变形。应力超过弹性极限后，随应力的缓慢增加，样品的应变显著增加，在一定的应变范围内卸载，应变会完全消失，如同弹性变形，但其应变
6、量远远超出通常意义上的弹性变形，称之为超弹性变形。其实质与弹性变形不同。,超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。,随外加应力的增加，在应力作用下母相与马氏体间处于平衡的温度T0()增加，Ms和Af也相应增加。当Ms超过环境温度时，母相开始相变为马氏体。随应力的增加，Ms 高于环境温度的幅度更大，马氏体转变的量随之增加，即马氏体由应力诱发而形成，发生了应力诱发马氏体相变。卸除外力，合金的相变点降低，回复到应力为零时的相变点。由于此时合金的Af点低于环境温度，马氏体逆转变回母相，样品的变形随之消失，显示出超弹性。,热弹性,本质相同，都是由马氏体相变引起的,超弹性,形状记忆机理总结,热弹性马氏体和
7、应力诱发马氏体统称为弹性马氏体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应。,形状记忆效应是由于合金中发生了热弹性或应力诱发马氏体相变。,形状记忆合金的分类及性能,形状记忆合金分类,（1）单程记忆效应 在较低的温度下变形，只在加热到Af以上，马氏体逆转变成奥氏体，发生形状回复的现象，显示出记忆热态形状的能力。,（2）双程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时又恢复低温相形状，这个过程可以重复进行，显示出能分别记忆冷和热状态下原有形状的能力，称为双程记忆效应。,（3）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低温相形状，称为全程记忆效应。,三种记忆效应的比较,机械性质优良，能恢
8、复的形变可高达10，（一般金属材料0.1）。,在智能材料和智能机械的设计中有重要的价值。,形状记忆合金的性能,加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa。,可感受温度、外力变化并通过调整内部结构来适应外界条件对环境刺激的自适应性。,无通常金属呈现的“疲劳断裂”现象。,形状记忆合金的应用,NiTi形状记忆合金折叠发射自动张开的宇航天线原理图,月球上的“奇葩”宇航天线,工业应用,连接件和紧固件,形状记忆合金管接头用相变点约-150的TiNiFe合金制备。合金内径加工成比被接管径约小4-5，把管接头浸泡在液态空气中，在低温状态下使内径扩大约7-8%，扩径后管接头用保温材料保持低温，被接管从管接头两
9、侧插入，去掉保温材料，管接头温度上升到室温，内径恢复到扩径前状态，牢牢箍紧被接管。,形状记忆管接头,形状记忆合金可制成驱动器、控制器等应用在智能机器人中,智能控制器,温控智能机器人元件,智能机器人,当心脏出现毛病，不可能用手术治疗时，不得不依赖于心脏移植或人工心脏。可以用形状记忆合金制造人工心脏用人造肌肉，用以充当人造心脏的驱动源。,人工心脏用人造肌肉,人造心脏,医学应用,治疗粉碎性髌骨骨折比较困难，我国设计了一种用于治疗髌骨骨折的形状记忆NiTi聚髌器，现已成功用于临床治疗之中。聚髌器由功能爪和连接腰组成，能从多个方向产生恢复力并作用于髌骨，持续地以纵向聚合加压，将粉碎的髌骨聚合于解剖位置直至骨折愈合。,聚髌器,日常生活应用,形状记忆路灯,形状记忆合金眼镜架,空调百叶板,2023/7/15,34,Thank you！,
