形状记忆合金.pptx
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1、形状形状形状形状记忆记忆合金合金合金合金形状记忆合金Shape Memory Alloy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
2、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。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
3、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:n马氏体相变是马氏体相变是热弹性热弹性的;的;n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;n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;n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。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
4、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1
5、00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。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
6、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。表表
7、2 TiNi合金与合金与CuZnAl合金性能对比合金性能对比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(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T
8、iNi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)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
9、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。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
10、。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。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
11、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。TiNi合金双程记忆处理合金双程记忆处理n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。n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
12、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。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
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