功能材料(形状记忆合金)

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1、功能材料FunctionMaterials主讲：孙彦彬副教授第三章形状记忆合金某些具有热弹性马氏体相变的合金材料，处于马氏体状态时，进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，变形材料就能恢复到变形前的形状和体积，这种现象称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect)，简称SME。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy)，简称(SMA)。如Cu-Sn，Cu-Zn，Cu-Al-Ni，Au-Cd，In-Tl，Ti-Ni等合金均具有形状记忆效应

2、。大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。马氏体相变往往具有可逆性，即把马氏体(低温相)以足够快的速度加热，可以不经分解直接转变为高温相(母相)。母相向马氏体相转变开始、终了温度称为Ms、Mf；马氏体向母相逆转变开始、终了温度称为As、Af。3.1形状记忆原理3.1.1热弹性马氏体相变具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形

3、成的马氏体叫应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。母相受力生成马氏体并发生形变，或先淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑性变形，变形后的合金受热(温度高于As)时，马氏体发生逆转变，回复母相原始状态；温度升高至Af时，马氏体消失，合金完全回复到原来的形状。但是具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应，这一点可以从热力学上给予证明，在此不详细讨论。3.1.2形状记忆原理一些学者曾根据早期的形状记忆材料的特征，提出产生形

4、状记忆效应的条件是：(1)马氏体相变是热弹性的；(2)马氏体点阵的不变切变为孪生，即亚结构为孪晶；(3)母相和马氏体均为有序结构。但随着对形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述三个条件的合金(如Fe-Mn-Si合金，其马氏体相变是半热弹性的，且母相无序)也可以显示形状记忆效应。后来又发现不仅某些合金，陶瓷材料、高分子材料中也存在形状记忆效应，其机理亦与金属材料不同。所以许多学者强调，根据马氏体相变的定义，在相变过程中，只要形成单变体马氏体并排出其他阻力，材料经过马氏体相变及其逆相变，就会表现出形状记忆效应。马氏体

5、相变是一种非扩散型转变，母相向马氏体转变，可理解为原子排列面的切应变。由于剪切形变方向不同，而产生结构相同，位向不同的马氏体-马氏体变体。以Cu-Zn合金为例，合金相变时围绕母相的一个特定位向常形成四种自适应的马氏体变体，其惯习面以母相的该方向对称排列。四种变体合称为一个马氏体片群，如图3-1。图3-1一个马氏体片群(a)实线：孪晶界及变体之间的界面。虚线：基准面；(b)在标准投影图中，四个变体的惯习面法线的位置通常的形状记忆合金根据马氏体与母相的晶体学关系，共有六个这样的片群，形成24种马氏体变体。每个马氏体片群中的各

6、个变体的位向不同，有各自不同的应变方向。每个马氏体形成时，在周围基体中造成了一定方向的应力场，使沿这个方向上变体长大越来越困难，如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成，它当然取阻力小、能量低的方向，以降低总应变能。由四种变体组成的片群总应变几乎为零，这就是马氏体相变的自适应现象。如图3-2所示，记忆合金的24个变体组成六个片群及其晶体学关系，惯习面绕6个{110}分布，形成6个片群。图3-224个自适应马氏体变体每片马氏体形成时都伴有形状的变化。这种合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再取向，即造成马氏体的择优

7、取向。当大部分或全部的马氏体都采取一个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。对于应力诱发马氏体，生成的马氏体沿外力方向择优取向，在相变同时，材料发生明显变形，上述的24个马氏体变体可以变成同一取向的单晶马氏体。将变形马氏体加热到As点以上，马氏体发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低，转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一个位向—母相原来的位向。尤其当母相为长程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位向的母相倾向更大。逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢复。形状记忆合金

8、母相的结构比较简单，一般为具有高对称性的立方点阵，且绝大部分为有序结构。马氏体的晶体结构较母相复杂，对称性低，且大多为长周期堆垛，同一母相可有几种不同的马氏体结构，见表3-l。如果考虑内部亚结构，马氏体结构则更为复杂：如9R，18R马氏体的亚结构为层错，3R与2H马氏体的亚结构为孪晶。目前已知的一些形状记忆合金，除I