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    類型材料講座系列之記憶合金

  • 上傳人:一***
  • 文檔編號:39806767
  • 上傳時間:2022-07-10
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  • 頁數:43
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    材料 講座 系列 記憶 合金
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    1、智能材料介紹-材料系列講座智能材料是1989年由日本高木俊宜教授在日本科學 技術廳航空、電子等技術評審會上提出的。它是將信息 科學融合于材料物性的一種材料新構思。感知材料:能夠感知來自外界或內部的刺激強度及變化 (如應力、應變、熱、光、電、磁、化學和輻射等),制成 各種傳感器。 驅動材料:可根據溫度、電場或磁場的變化改變自身的 形狀、尺寸、位置、剛性、阻尼、內耗或結構等,對環 境具有自適應功能,制成各種執行器; 機敏材料:兼具敏感(傳感)材料與驅動材料之特征,即同 時具有感知與驅動功能的材料。 智能材料:機敏材料和控制系統相結合的產物,集傳感、 控制和驅動三種職能于一身,是傳感材料、驅動材料和

    2、 控制材料(系統)的有機合成。 智能材料的構成 (1) 基體材料:擔負著承載的作用,一般宜選用輕質材料。 一般基體材料首選高分子材料,其次也可選用金屬材料, 以輕質有色合金為主。 (2) 敏感材料:擔負著傳感的任務,其主要作用是感知環境 變化。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸 縮材料、電致變色材料、電流變體等。 (3) 驅動材料:擔負著響應和控制的任務。常用有效驅動材 料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料 等。這些材料既是驅動材料又是敏感材料,身兼兩職。 (4) 信息處理器:在敏感材料和驅動材料間傳遞信息的部件, 是聯系兩者的橋梁智能材料不但可以判斷環境,而且還可順應

    3、環境, 即智能材料具有應付環境條件的特性,如自己內部診斷, 自己修復,自己分解,自己學習, 應付外部刺激自身積 極發生變化。 智能材料的內涵 具有感知功能,能夠檢測并且可以識別外界或內部的 刺激強度,如電、光、熱、應力、化學、核輻射等; 具有驅動功能,能夠響應外界變化; 能夠按照設定的方式選擇和控制響應; 反應比較靈敏、及時和恰當; 當外部刺激消除后,能夠迅速恢復到原始狀態。智能材料應具有或部分具有以下生物功能: 1 傳感功能:能感知自身所處的環境與條件,如負載、 應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強度 變化。 2 反饋功能:通過傳感神經網絡,對系統的輸入和輸出 信息進行比較,并將結

    4、果提供給控制系統,獲得理想的 功能。 3 信息積累和識別功能:能積累信息,能識別和區分傳 感網絡得到的各種信息,并進行分析和解釋。 (4) 學習能力和預見性功能:通過對過去經驗的收集,對 外部刺激作出適當反應,并預見未來采取適當的行動。(5)能材料-結構和概念 (5)響應性功能:根據環境變化適時地動態調節自身 并作出反應。 (6)自修復功能:通過自生長或原位復合等再生機制 來修補某些局部破損。 (7)自診斷功能:能對現在情況和過去情況作比較, 對諸如故障及判斷失誤等問題進行自診斷和校正。 (8)自動動態平衡及自適應功能:根據動態的外部環 境條件不斷自動調整自身的內部結構,從而改變自 已的行為,

    5、以一種優化的方式對環境變化作出響應。 智能材料按基材分類 :金屬系智能材料:主要指形狀記憶合金材料(SMA),是一 類重要的執行器材料,用其控制振動和結構變形。強度 比較大、耐熱性好、耐腐蝕性能好,主要用于航空、航 天、原子能。工業上能夠檢測自身的損傷并將其抑制, 具有自修復功能。 無機非金屬系智能材料:能夠局部吸收外力以防材料整 體破壞。主要包括壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷,電(磁)流變 體等。 高分子系智能材料:多重亞穩態、多水平結構層次、較 弱的分子間作用力,側鏈易引入各種官能團,利于感知 和判斷環境,實現環境響應人工合成高分子材料的品種多,范圍廣,其中智能凝膠、 藥物控制釋放體系、壓電聚合物

    6、、智能膜等是高分子智能材 料的重要體現。 納米分子自組裝技術:在合成智能材料方面具有光明的應用 前景。例如利用分子識別機制,控制環境,使結構單元排列 成超晶格結構,開發新型光子、電子、磁學及非線性光學器 件。自組裝:通過較弱的非共價鍵,如氫鍵、范德華力或靜電引 力等將原子、離子、分子、納米粒子等結構單元連接在一起, 自發的形成一種穩定的結構體系的過程。結構單元通過協同 作用自發的排列成有序結構,不需借助外力的作用。 智能材料是一種集材料與結構、智然處理、執行系 統、控制系統和傳感系統于一體的復雜的材料體系。它 的設計與合成幾乎橫跨所有的高技術學科領域。 今后的研究重點包括以下六個方面: 智能材

    7、料概念設計的仿生學理論研究; 材料智然內稟特性及智商評價體系的研究; 耗散結構理論應用于智能材料的研究; 機敏材料的復合-集成原理及設計理論; 智能結構集成的非線性理論 ; 仿人智能控制理論; 智能材料的設計:通常以功能材料為基礎,以仿生學、人工 智能及系統控制為指導,依據材料復合的非線性效應,用先 進的材料復合技術,將感知材料、驅動材料和基體材料進行 復合。 智能材料和器件的研究目前主要有兩條技術路線: 1、將傳感器、處理器和致動器埋入結構中,通過高度集成 制造智能結構,即所謂智能結構。 2、將智能結構中的傳感器、致動器、處理器與結構的宏觀 結合變為在原子、分子層次上的微觀“組裝”,從而得到

    8、更為 均勻的物質材料,即所謂智能材料。 創造人工原子并實現其三維任意排列,是人工材料的極 限,也是智能材料的最終目標。 智能效應的基本原理是物質和場之間的交互作用過程。 智能材料設計的具體過程 明確材料的應用目標和實現思路 確定智能材料的輸入場和輸出場 借助于中間場,通過幾個物理或化學效應 的耦合來實現所需的智能化效應。1、仿生自愈傷水泥基復合材料: a) 模仿生物組織受傷后自動分泌某種物質形成愈傷組織, 愈合傷口。將內含黏結劑的空心玻璃纖維或膠囊摻入水 泥基材料中,水泥在外力作用下發生開裂時玻璃纖維或 膠囊破裂而釋放黏結劑,流向開裂處將其重新黏結起來, 起到愈傷作用。 b) 模仿骨骼的結構和

    9、形成。在集體磷酸鈣水泥中加入多 孔的編制纖維網,在水泥水化和硬化過程中,纖維放出 聚合物和聚合反應引發劑形成高聚物,聚合反應留下的 水分參與水化。纖維網表面形成大量有機、無機物質穿 插黏結,形成具有優異強度和延性的復合材料。如果材 料受損,多孔纖維釋放高聚物愈合損傷。 2、仿生陶瓷:主要應用于海洋相關領域,如仿生水聲器, 用于潛水艇、海上石油平臺、地震監測器等。還可用于 醫用,如人工骨、人工牙齒等。 3、智能皮膚:用光纖材料或高分子材料制成能像人的手 那樣可以“感覺”和“動作”的傳感器與執行器;運用電子技 術和計算機技術制造出能夠像人的大腦那樣可以分析判 斷、邏輯推理及綜合理解的微型數據信息處

    10、理系統:將 這些傳感器、執行器及控制系統埋入到結構材料之中就 形成了一種具有類似人皮膚那樣功能的復合智能材料結 構??梢杂脕碇瞥娠w機的機翼和機身的蒙皮以防止鳥 撞飛機等意外事故的發生;還可以用在潛艇上,吸收來 自聲納的反射波,使其擺脫敵方聲納系統的監控目前研究的重點其一是設計與研制具有“ 智能”的新 型材料,如先進的壓電材料、電磁致伸縮材料、形狀記 憶合金、電致流變體等;其二是通過在傳統的材料內增 設由光導纖維構成的傳感器式調節器,賦予材料自診斷、 自適應的綜合性能。 智能材料的合成方法 纖維及顆粒形式的復合:將一種機敏材料顆粒(或纖維)復 合在異質基體中可實現各組元性能的優勢互補。 例如:將

    11、壓電陶瓷顆粒彌散分布在壓電聚合物中可制成 大面積的各種形狀壓電薄膜;將形狀記憶合金粒子或纖 維復合在金屬或高分子中可改善力學性能及阻尼能力。多層膜復合:兩種或多種機敏材料以多層微米級的薄膜 復合,獲得優化的綜合性能或多功能特性。 例如:將鐵彈性的形狀記憶合金與鐵磁或電驅動材料復 合,把熱驅動方式變成電或磁的驅動方式,可拓寬響應 頻率范圍,提高響應速度。 多孔架材料組裝:將具有光敏、壓敏和熱敏等不同功能 特性的納米粒子原位復合在多孔道骨架內,通過調控納 米粒子的尺寸、間距及納米粒子與骨架之間的相互作用, 使材料兼具光控、壓控、熱控及其他響應性質。 粒子復合組裝:將具有不同功能的材料粒子按特定的方

    12、 式進行操作組裝,創造出新的具有多功能特性的材料。材料系列之記憶合金形狀記憶效應(Shape Memory Effect,簡稱SME):在高溫 下處理成一定形狀的金屬急冷下來,在低溫相狀態下經 塑性變形為另一種形狀,然后加熱到高溫相成為穩定狀 態的溫度時,通過馬氏體逆相變恢復到低溫塑性變形前 的形狀的現象。 形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡 稱SMA):具有SME 的金屬,通常是由 兩種以上的金屬元 素構成的合金。馬氏體最初是在鋼中發現的,將鋼加熱到一定溫度后 經迅速冷卻,得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。 馬氏體:母相在過冷狀態或是應變過程中按無擴散的、以 慣習面

    13、為不變平面共格切變的固態相變的產物。 馬氏體具有體心正方結構。以在-Fe中的過飽和間隙 固溶體為例,碳原子呈部分有序(80%)排列在原-Fe體心立 方點陣的八面體間隙c軸上。碳原 子溶入后必然會引起點陣畸變, 使短軸c軸方向上的鐵原子間距 拉長,而在另外兩個方向a軸方 向稍有縮短,軸比c/a稱為馬氏體 的正方度。馬氏體的正方度(c/a)取決于其碳含量的高低,故馬氏體 的正方度可用來表示馬氏體中碳的過飽和程度。 碳原子遠不足以填滿八面體間隙,那么碳原子在馬氏體 點陣中的分布是不均勻的,并由此引起點陣的局部畸變。 馬氏體相變的特征: 1、無擴散相變:馬氏體轉變屬于低溫轉變,此時碳原子和 鐵原子都已

    14、經失去擴散能力。因此,馬氏體轉變是以無擴散 的方式進行的。 鐵原子的晶格改組是通過近程的遷動完成的,原子之間 的相對位移不超過一個原子間距,新相承襲了母相的化學成 分、原子序態和晶體缺陷2、切變性:馬氏體轉變的表面浮凸效應,說明馬氏體轉 變是以切變方式完成的,在此過程中原子集體、協同、 有規則地作小于一個原子間距的近程遷移,并保持各原 子間原有的相鄰關系不變,屬于協同型轉變。 3、共格性:馬氏體轉變時,新相和母相的點陣間保持共 格聯系。馬氏體的長大便是靠母相中原子作有規則的遷 移(即切變)使界面推移而不改變 界面上共格關系的結果。由于這 種界面是以切變維持的共格界面 ,故稱為“切變共格”,也稱

    15、之為 第二類共格界面。 4、嚴格的位向關系和慣習面:固態相變時新相與母 相間往往存在一定的取向關系,而且新相往往又是 在母相一定的晶面族上形成,這種晶面稱為慣習面, 通常以母相的晶面指數來表示。 在相變過程中,慣習面不變形也不轉動。慣習 面的存在意味著新相某一晶面和母相慣習面的原子 排列很相近,能較好地匹配,有助于減少兩相間的 界面能。慣習面的存在也表明新相與母相間存在一 定取向關系的必然性例如,鋼中發生馬氏體轉變時(C%0.5%),由于馬 氏體的密排面011與奧氏體的111面的原子排 列相近,所以馬氏體總是在奧氏體的111晶面上形 成,所以111 就是慣習面;同時馬氏體中的密排面 011與奧

    16、氏體中的密排面111相平行,馬氏體 的密排方向111與奧氏體的密排方向011相平 行。 根據馬氏體與母相的晶體學關系,共有六個貫習面, 形成24種馬氏體變體。每個馬氏體中的各個變體的位向 不同,有各自不同的應變方向。 每個馬氏體形成時,在周圍基體中造成了一定方向 的應力場,使沿這個方向上變體長大越來越困難,如果 有另一個馬氏體變體在此應力場中形成,它當然取阻力 小、能量低的方向,以降低總應變能。由四種變體組成 的片群總應變幾乎為零,這就是馬氏體相變的自適應現 象。每片馬氏體形成時都伴有 形狀的變化。這種合金在單向 外力作用下,馬氏體順應力方 向發生再取向,即造成馬氏體 的擇優取向。當大部分或全

    17、部的馬氏體都采取一個取向時,整個 材料在宏觀上表現為形變。對于應力誘發馬氏體,生成 的馬氏體沿外力方向擇優取向,在相變同時,材料發生 明顯變形,24個馬氏體變體可以變成同一取向的單晶馬 氏體。馬氏體相變往往具有可逆性,即把馬氏體低溫相以 足夠快的速度加熱,可以不經分解直接轉變為高溫相母 相。將變形馬氏體加熱到As點以上,馬氏體發生逆轉變, 轉變為母相時只形成幾個位向,甚至只有一個位向,即 母相原來的位向。逆轉變完成后,便完全回復了原來母 相的晶體,宏觀變形也完全恢復。 馬氏體的組織形態有板條狀馬氏體、片狀馬氏體、 蝴蝶狀馬氏體、薄板狀馬氏體、薄片狀馬氏體等五種, 其中板條馬氏體和片狀馬氏體最為

    18、常見。 板條馬氏體呈板條狀,板條內存在高密度的位錯, 又稱為位錯馬氏體。 片狀馬氏體顯微鏡下呈針狀或竹葉狀,故又稱為針 狀馬氏體。片狀馬 氏體的亞結構主要 是孿晶。因此片狀 馬氏體又稱為孿晶 馬氏體。 根據馬氏體相變的定義,在相變過程中,只要形成單變體 馬氏體并排出其他阻力,材料經過馬氏體相變及其逆相變,就 會表現出形狀記憶效應。 熱彈性馬氏體:具有馬氏體逆轉變,且Ms與As相差很小的合金, 將其冷卻到Ms點以下,馬氏體晶核隨溫度下降逐漸長大,溫 度回升時馬氏體又反過來同步地隨溫度上升而縮小。 應力誘發馬氏體:在Ms以上某一溫度對合金施加外力可引起 馬氏體轉變。 應力彈性馬氏體:有些應力誘發馬

    19、氏體也屬彈性馬氏體,應力 增加時馬氏體長大,反之馬氏體縮小,應力消除后馬氏體消失。 具有熱彈性馬氏體相變的材料并不都具有形狀記憶效應。形狀記憶效應有三種形式: 1、單向形狀記憶效應:將母相冷卻或加應力,使之發生 馬氏體相變,使馬氏體發生塑性變形,再重新加熱到As 以上,發生逆轉變,溫度升至Af點,馬氏體完全消失, 材料完全恢復母相形狀。 2、雙向形狀記憶效應:又稱可逆形狀記憶效應。加熱發 生馬氏體逆轉變時,對母相有記憶效應;當從母相再次 冷卻為馬氏體時,還回復原馬氏體的形狀。 3、全方位形狀記憶效應:在冷熱循環過程中,形狀回復 到與母相完全相反的形狀,稱為全方位形狀記憶效應。形狀記憶機理:合金

    20、中發生了熱彈性或應力誘發馬氏體 相變。熱彈性馬氏體和應力誘發馬氏體統稱為彈性馬氏 體,只有彈性馬氏體相變才能產生形狀記憶效應。 形狀記憶過程: 1、將母相冷卻到發生馬氏體相變,形成24種馬氏體變體, 由于相鄰變體可協調生成,微觀上相變應變相互抵消, 無宏觀變形; 2、馬氏體受外力作用時,變體界面移動,相互吞食,形 成馬氏體單晶,出現宏觀變形; 3、由于變形前后馬氏體結構沒有變化,當去除外力時, 無形狀改變; 4、當加熱發生逆相變,馬氏體通過逆轉變恢復到母相形 狀。雙程和全程記憶效應機理比較復雜,有許多問題尚 未搞清。超彈性變形: 對母相狀態的樣品在Af溫度以上施加外力, 隨外力增加,樣品首先發

    21、生遵循虎克定律的彈性變形。 應力超過彈性極限后,隨應力的緩慢增加,樣品的應變 顯著增加,在一定的應變范圍內卸載,應變會完全消失, 如同彈性變形,但 其應變量遠遠超出通常意 義上的彈性變形,稱之為 超彈性變形。其實質與彈 性變形不同,故又稱它為 偽彈性(pseudoelasticity, PE)變形。 超彈性變形是由應力誘發馬氏體相變導致的。隨外加應 力的增加,在應力作用下母相與馬氏體間處于平衡的溫度 T0()增加,Ms和Af也相應增加。當Ms超過環境溫度時,母相 開始相變為馬氏體。隨應力的增加,Ms高于環境溫度的幅 度更大,馬氏體轉變的量隨之增加,即馬氏體由應力誘發而 形成,發生了應力誘發馬氏

    22、體相變。 卸除外力,合金的相變點降低,回復到應力為零時的相 變點。由于此時合金的Af點低于環境溫度,馬氏體逆轉變回 母相,樣品的變形隨之消失,顯示出超彈性。 PE是材料在母相狀態出現的,SME則是馬氏體狀態形 變后產生的,但是它們本質上都是由馬氏體相變引起的。奧氏體和馬氏體均具有較高的阻尼性能,在振動載 荷作用下能吸收大量的振動能,對振動起衰減作用。制 成阻尼器用在橋梁、建筑上能夠起到減振作用,實現對 工程結構的振動控制。 電阻是溫度的函數,在相變過程中會發生突變,能 夠制成溫度傳感元件,檢測工程結構的健康狀況。 彈性模量隨溫度的增加而提高,在較高溫度下能保 持較高的彈性模量,與金屬材料相反。

    23、利用這一特性能 夠改變結構構件的剛度和材料的屈服極限,調整結構的 運動和振動響應,改變結構承載時的變形,實現對結構 振動的主動控制。 形狀記憶合金是目前形狀記憶材料中記憶性能最好 的材料,已發現10系列50多種。 按照合金組成和相變特征,具有較完全形狀記憶效 應的合金可分為3大系列:鈦-鎳系,銅基系和鐵基系。 1、Ti-Ni系形狀記憶合金 具有豐富的相變現象、優異的形狀記憶和超彈性性 能、良好的力學性能、耐腐蝕性和生物相容性以及高阻 尼特性,是當前研究得最全面、記憶性好、實用性強、 應用最為廣泛的形狀記憶材料。 Ti-Ni SMA耐腐蝕、疲勞、磨損,生物相容性好,是 目前唯一作為生物醫學材料的

    24、形狀記憶合金。 Ti-Ni合金有3種金屬化合物:TiNi2,Ti2Ni和 TiNi。高溫相(母相)與馬氏體之間的轉變溫度(Ms)點 隨合金成分及其熱處理狀態而改變。Ni成分變化0.1at ,Ms變化10K。 為了得到良好的記憶效應,通常在1000左右 固溶后,在400時效,再淬火得到馬氏體。 形狀記憶合金在許多應用中,都是在熱和應變 循環過程中工作的。合金在加熱-冷卻循環中,伴隨 著相變溫度的變動;反復形變過程中,相變溫度和 形變動作的變化也影響材料的疲勞壽命。 相變溫度的變動和形變動作的變化可使元件動作溫度失 常,形變動作的變化可以使調節器的作用力不穩定,而材料 的疲勞壽命則決定著元件的使用

    25、限度。 NiTi合金從高溫母相冷卻到通常的馬氏體相變之前,發 生R相變(TiNi點陣受到沿方向的菱形畸變的結果),電 阻率陡峭增高。馬氏體相變發生后,電阻率又急劇降低,形 成一個獨特的電阻峰,在反復進行馬氏體相變的熱循環之后, 合金相變溫度將可能發生變化。 如果對材料進行應變量大于20的深度加工,產生高密 度位錯,可消除上述影響。采取時效處理也可以阻止滑移形 變的進行,達到穩定相變溫區的目的。 通過時效處理、反復進行相變和逆轉變及加入其它元素, 當母相轉變為R相時,相變應變小于1,逆轉變的溫度滯 后小于1.5K。 在Ti-Ni合金中添加少量的第三元素,會引起合金中馬氏體 內部的顯微組織發生顯著

    26、變化,同時可能導致馬氏體的晶體 結構發生改變,宏觀上表現為相變溫度點的升高或降低。 升高相變溫度的元素有:Au、Pt、Pd和Zr; 降低相變溫度的元素有:Fe、Al、Cr、Co、Mn、V、 Nb和Ce等。 例如:Ni47Ti44Nb9滯后寬度由34增到144,且As高 于室溫(54)。這種Ti-Ni-Nb寬滯后記憶合金在室溫下既能 存儲又能工作,工程使用極為方便。 2、銅基系形狀記憶合金 在已發現的形狀記憶材料中銅基合金占的比例 最多,它們的母相均為體心立方結構,特稱之為相 合金。銅基系形狀記憶合金主要包括Cu-Zn-Al及Cu-Zn- Al-X(X=Mn、Ni),Cu-Al-Ni及Cu-A1

    27、-Ni-X(X=Ti、 Mn)和Cu-Zn-X(X=Si、Sn、Au)等系列。銅基系合金 只有熱彈性馬氏體相變,比較單純,在銅基系形狀 記憶合金中,以Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni合金的性能較好, 近年來又發展了Cu-Al-Mn系列。 銅基系合金的形狀記憶效應明顯低于Ti-Ni合金,形 狀記憶穩定性差,表現出記憶性能衰退現象。這種衰退 可能是由于馬氏體轉變過程中產生范性協調和局部馬氏 體變體產生“穩定化”所致。逆相變加熱溫度越高、載荷越 大,衰退速率越快。 改善銅基系合金的循環特性,提高記憶性能,可采 取兩種方式: a. 加入適量稀土和Ti、Mn、V、B等元素,細化晶粒,提 高滑移形變抗力

    28、; b. 微晶銅基系形狀記憶合金(采用粉末冶金和快速凝固法 等)。 Cu-Zn-Al:制造加工容易,價格便宜,并有良好的記憶 性能,相變點可在一定溫度范圍內調節。 Cu-Zn-Al合金中,位錯成為馬氏體的形核點。由于 生成殘留馬氏體,在約103次熱循環后,能看到形狀記憶 效應衰退。 Cu-Al-Ni合金由于調整應變不協調,滑移形變難以進 行,多晶的疲勞壽命比單晶低??梢酝ㄟ^晶粒細化和加 工時效處理來改善疲勞特性。Cu-Zn-Al合金通過粉末壓 制的方法,可以使疲勞壽命大幅度改善。 銅系形狀記憶合金由于熱穩定性差,晶界易斷裂, 及多晶合金疲勞特性差等弱點,大大限制了其實用化。C3、鐵系形狀記憶合

    29、金 鐵基SMA分為三類: A、由面心立方體心正方(四角)(薄片狀馬氏體)驅動, 成分和時效處理制度不同時,熱滯會有很大變化,即可 表現出熱彈性也可表現為非熱彈性。如Fe-Ni-C,Fe-Ni- Ti-Co和Fe-25atPt(母相有序); B、由面心立方密排六方馬氏體,借應力誘發,如Fe- Cr-Ni和Fe-Mn-Si基合金; C、由面心立方面心正方(四角)馬氏體(薄片狀),發生 了熱彈性馬氏體相變,如Fe-Pd和Fe-Pt。 金 鐵基形狀記憶合金成本較Ti-Ni系和銅系合金低得多, 易于加工,在應用方面具有明顯的競爭優勢。 Fe-Mn-Si: Si的作用主要表現在3個方面: Si的加入降低了

    30、的反鐵磁態的轉變溫度,如Si含量達 到6%時,TMs,這時合金呈現良好的形狀記憶效應。 Si可強化相使合金形變時不易產生永久性滑移,從而 可提高合金的形狀記憶效應。 Si降低了相的層錯能,馬氏體可由母相中的層錯形 成,層錯能降低,有利于相變。 Fe-Mn-Si三元合金具有較高的形狀記憶效應,但其耐 蝕性差,變形抗力比普通鋼的高1/3,屬于難熱變形金屬, 為成型和加工帶來困難,必須改善它的加工性和耐蝕性。 加入Cr能提高該合金的耐蝕性。但是Cr的加入降低了 合金的Ms點,加Cr后要適當降低Mn的含量,以便把Ms點 維持在室溫附近。 除此之外,當w(Cr)超過7%時,容易生成脆性相,使 合金的塑性

    31、下降。為了抑制相的生成,需向合金中同時加 入Ni進行合理搭配。 Co的加入能改善合金的形狀記憶效應和耐蝕性,但Co 價格昂貴,一般情況下不宜采用。 形狀記憶合金的應用 1、工程應用:最早的應用就是作各種結構件,加緊固件、 連接件、密封墊等。另外,也可以用于一些控制元件, 如一些與溫度有關的傳感及自動控制。 SMA連接件結構簡單、重量輕、 所占空間小,并且安全性高、拆卸 方便、性能穩定可靠。其中管接頭 是SMA最成功的應用之一。 例如TiNi合金管接頭,經過單向記憶 處理后,在低溫下(Mf) 擴孔為,插 入被接管,去掉保溫材料,室溫時, 內徑恢復,實現管路緊固連接普通的管接頭由于熱漲冷縮,容易引

    32、起泄漏,造成 事故。形狀記憶合金套管能夠形成緊密的壓合。美國已 在噴氣式戰斗機的液壓系統中使用了10多萬個這類接頭, 至今未有漏油或破損、脫落等事故。 工程中常用鉚釘和螺栓進行緊固,但有時候操作困 難,例如在密閉真空中很難進行操作,可以用SMA緊固 鉚釘方便的實現緊固。 形狀記憶合金作緊固件、連接件:(1)夾緊力大,接觸 密封可靠,避免了由于焊接而產生的冶金缺陷;(2)適于不 易焊接的接頭;(3)金屬與塑料等不同材料可以通過這種連 接件連成一體;(4)安裝時不需要熟練的技術。 形狀記憶合金制成的彈簧與普通彈簧安裝在一起,可 以制成自控元件。形狀記憶合金彈簧由于發生相變,母相 與馬氏體強度不同,

    33、使元件向左、右不同方向運動。 這種構件可以作為暖氣閥門, 溫室門窗自動開啟的控制,溫度 的檢測。形狀記憶合金對溫度比 雙金屬片敏感得多,可代替雙金 屬片用于控制和報警裝置中。2、醫學應用:醫學上使用的形狀記憶合金主要是Ti-Ni合金, 這種材料對生物體有較好的相容性,可以埋入人體作為移植 材料。在生物體內部作固定折斷骨架的銷、進行內固定接骨的 接骨板,由于體內溫度使Ti-Ni合金發生相變。形狀改變,不 但能將兩段骨固定住,而且能在相變過程中產生壓力,迫使 斷骨很快愈合。另外,假肢的連接、矯正脊柱彎曲的矯正板, 都是利用形狀記憶合金治療的實例。 “記憶金屬”食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時只

    34、 要向食道里加上冰塊,“食道”又會遇冷收縮,從而可輕易取 出,使失去進食功能的食道癌患者提高了生活質量。在內科方面,可將細的Ti-Ni絲插入血管,由于體溫使 其恢復到母相的網狀,阻止95的凝血塊不流向心臟。用 記憶合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合,可以模 仿心室收縮運動,制造人工心臟。 3、智能應用:形狀記憶合金是一種集感知和驅動雙重功 能為一體的材料,可廣泛應用于各種自調節和控制裝置, 如各種智能、仿生機械。 飛行器天線:用硬度和剛性非常好的鎳鈦合金在40以 上制成半球面的月面天線,再讓天線冷卻到28以下。 這時合金內部發生了結晶構造轉變,變得非常柔軟,很 容易把天線折疊成小球似的一團

    35、,放進宇宙飛船的船艙 里。到達月球以后,宇航員把變軟的天線放在月面上, 借助于太陽光照射或其它熱源的烘烤使環境溫度超過 40,這時天線像一把折疊傘自動張開,迅速投入正常 的工作。在醫療方面最典型的應用是牙齒矯正線,依靠固定在 牙齒托架上金屬線(Ti-Ni合金線)的彈力來矯正排列不整齊 的牙齒。眼鏡片固定絲也是偽彈性應用的一個例子,當固定絲 裝入眼鏡片凹糟內時并不緊,利用其偽彈性逐漸繃緊,可 使鏡片冬季不易脫落。 “記憶金屬”造出汽車,萬一被撞癟,只要澆上一桶熱 水就可恢復到原來的形狀。 “記憶金屬”制成的釘子,把它安在汽車外胎上,當氣 溫降低、公路結冰時,釘子會“自動”從外胎里伸出來,防 止車輪打滑。形狀記憶合金制造的城市 照明燈,有兩瓣隨著燈的亮滅 而逐漸張開或合上的金屬葉片。 白天,路燈熄滅,葉片合上; 傍晚,路燈亮起燈泡發熱,葉 片受熱而逐漸張開,使燈泡顯 露出來。記憶合金絲混合羊毛織成的毛毯后,如毛毯溫 度過熱,它就會自動掀開一部分,適當降低溫度, 使人睡得更安穩。

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