特种金属 形状记忆.docx

特种金属材料—形状记忆合金及其应用090201 20090516 胡冰形状记忆合金(ShapeM emo ry A lloy,简称SMA )是一种具有形 状记忆效应, 能感知温度和位移 ,并能将热能转换成机械能的新型功 能材料1951年美国的L ead首先在A u2Cd、In2T i合金中发现形 状记忆效应(SM E),他利用A u247. 5%Cd合金的记忆效应制作升降 机模型, 但由于合金元素价格高、有毒, 没有进行实用化尝试而销声 匿迹1963年美国海军研究所的W. Bueher等人发现N i2T i合金也 有形状记忆效应, 并设计了新的机械实验装置, 受到许多研究者的关 注1969年美国Raychem公司生产T i2N i2Fe记忆合金管接头用于 F14战斗机上的液压管路系统连接这是SMA第一次成功应用70 年代以后SMA真正进入实用化阶段至80年代末SMA的研究才遍 及世界 90 年代初, 该合金得到进一步的发展, 现已出现第三代形状 记忆合金，且进入商品化阶段本文简要介绍SMA的形状记忆机理、 研究现状和应用情况1 SMA 的形状记忆机理SMA经高温加热后骤冷获得以马氏体(M ar ten site)为主的不 平衡组织, 这种结构组织由于马氏体相对称性差且相界面容易移动 , 所以较容易使移动路径调转方向往回走, 发生向有序晶格逆转, 也使 其外形恢复到原先的状态, 即发生形状记忆效应, 这种相变称为热弹 性型马氏体相变。

马氏体（M ar ten site）相变是无扩散型晶格相变，也是由于剪切 位移而改变晶体结构的相变在低于马氏体相变点Ms温度下，随着 冷却马氏体长大， 系统的热力学化学自由能减少， 同时由于相变时产 生的原子剪切位移， 使系统产生非化学自由能的弹性能增大［2 ］当 自由能减少与弹性能增加之和达到某一极小值时 ， 马氏体停止长大， 热效应与弹性效应达到平衡状态 ， 可通过加热或者弹性应力来破坏 热平衡，即只有当马氏体过热到T 0以上温度A s时，在相变驱动力 用下， 马氏体缩小的逆转变过程才能开始这种马氏体长大或缩小受 热效应和弹性效应两因素平衡条件的制约的相变称为“热弹性马氏体 相变”相变并不是发生在某一温度点， 而是一个温度范围，不同的合 金系具有不同的温度范围［3 ］大多数的合金， 相变发生在较窄的温 度范围内， 而且伴随着滞后现象， 以致加热与冷却的转变过程并不交 迭， 相变的滞后程度因合金系的不同而不同通常， SMA 能够完全恢 复的形变量可达6%〜8% （远非一般材料所能比拟），它的形变温度 范围一般在100〜200 °C之间，主要受合金成份及热处理制度等因 素影响在形变回复时还会产生很大的回复力（有的高达200M Pa）。

大多数情况下， SM E 是单程的， 也就是说， 冷却过程中， 虽然有相变 发生，但SMA不能产生形状变化［3 ］马氏体因承受应力而发生的塑 性变形， 只有当它加热时才能消除再冷却时， 马氏体并不自发地发 生形变， 如果要再得到形状回复的效果 ， 必须人为地使其发生形变 ， 所以实际应用中多用偏置弹簧与SMA配合使用一些合金经过特殊 的热处理和机械训练，也能具有双程的SM E,即加热和冷却时都能 产生形状的变化但与单程的SM E相比，双程SM E所产生的回复 应变和形状回复力都要小一些另外须注意 , SMA 马氏体具有时效 性，这是一种很令人费解的现象，目前发现A u2Cd、A u2Cu2Zn、 Cu2A l2N i 等合金具有马氏体的时效性在时效过程中， 随着时间的 增加马氏体变的越来越稳定 ， 即马氏体开始发生逆相变的温度和临 界应力会渐渐的升高， 目前虽然有多种对马氏体时效性的解释， 但没 有一种能对这种现象作出全面的解释2 SMA 的研究现状[4-6]自20 世纪60 年代在镍钛合金中发现记忆效应以来 ， 经过30 多 年的研究和开发 ， 目前已经发现的 SMA 有30 余种， 可分为三大 [125 ]:N i 2T i 基合金， Cu 基合金， Fe 基合金， 但正式作为商品生产 的只有N i系和Cu基两大类。

一般说来,N i2T i合金的稳定性，耐腐 蚀性， 抗疲劳性及记忆性能都比 Cu 基合金强， 但成本较高， 限制了 产品的普及 Cu 基合金尽管在这些方面微逊色 ， 但价格便宜， 在反 复使用频率不太高， 条件不太苛刻的情况下， 应用前景非常广泛 Fe 基合金不仅价格便宜， 而且容易进行焊接、切削等加工， 市场潜力大， 很有开发价值N i2T i基形状记忆合金包括N i2T i,N i2T i2N b和N i2T i2Fe 等形状记忆合金 N i2T i 形状记忆合金的价格高且加工难 度大， 但具有强度高、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损、形状记忆回复率高 以及生物相容性好等优点，获得了广泛应用德国现已研制成功的N i2T i 形状记忆合金纤维增强的铝基复合材料是一种具有多功能的智 能材料，主要采用压力塑造法生产有人把N i2T i形状记忆合金纤 维埋入光弹性环氧树脂内制成复合材料 , 可采取通电加热实现形状 的恢复，并以聚合物机体所埋藏的N i2T i合金纤维的电阻变化掌握 材料内部应力、应变和温度状况等变化, 构成所谓“自诊断性”智能 材料近年来， 形状记忆合金发展较快的是生物医学制品， 而应用最 多的是Ni2T i形状记忆合金。

N i2T i合金的记忆功能是人所共知的, 实际上,N i2T i形状记忆合金的超弹性功能在应用上大大超过了记 忆功能当前利用拉拔加工已能制造线径小到25 Lm 的细丝, 用这种 细丝可制成外径约为100 Lm 的形状记忆合金螺旋弹簧, 作为致动器 使用已制作了整体外径为2mm的医用能动内窥镜用外径为250 Lm 的螺旋弹簧制成了整体外径为2. 5mm的能动导尿管N i2T i合金已 能加工成外径小于 1mm 的超弹性微型管 , 广泛用于制作医用内窥 镜、导尿管等N i2T i合金中添加第三元素（如Cu、Pd等）可有效 地提高形状记忆合金的响应特性, 减小相变温度的滞后性, 但添加第 三元素后总会带来加工性的降低, 难以轧制成薄板, 因而适合利用熔 体快淬法来制作另外,90年代发展起来的N i2T i系形状记忆合金 薄膜, 作为微型致动器材料是比较理想的, 有望广泛用于微型机器 德国开发的N i2T i2N b系形状记忆合金在工程应用上，特别在管接 头应用上，与N i2T i形状记忆合金相比更具有优势这种合金不仅 加工成型性好，而且经过适当处理后，相变滞后可达150 °C,明显高 于Ni2T i和N i2T i2Fe形状记忆合金（一般在30〜50 C）。

这种滞后 形状记忆合金构件可以在通常气候条件下运输和储存[12 ] ， 不需要 保存在液氮中，安装时只需加热至70〜80 C即可完成形状恢复因此为实际工程应用带来很大的方便, 有利于推广应用3 SMA 的应用在N i2T i基、Cu基和Fe基3大类形状记忆合金中，目前应用 得比较成熟的是N i2T i基合金,Cu基合金由于记忆性能不稳定，应 用受到了影响，而N i2T i基合金虽具有好的记忆性能、抗腐蚀性、 耐疲劳性和生物相容性等, 但由于其原材料昂贵, 生产制造过程较复 杂也仅在航天、生物医疗、核能等领域获得应用， 难以被大规模地应 用到工业和民用领域铁基合金由于价格低廉、易制造和易加工而引 起人们的极大兴趣， 并在管道连接、形状记忆夹具、紧固件等领域获 得应用由于SMA的形状记忆效应和伪弹性，对温度和应力的变化 非常敏感， 产生的变形和可恢复力较一般的材料要大的多和抗疲劳 性强等独有的特性， 迄今为止， 形状记忆合金在电子、机械、航天、 建筑、运输、化学、医疗、能源以及日常生活中得到了广泛的应用 SMA 可加工成管接头、阻尼元件、振动隔离器、地震抑制器、自动 控制系统中的驱动器和控制器［6-10 ］。

利用SMA对应变敏感，电阻 率大， 加热可产生大回复力特点 ， 可将其用于裂纹的检测和控制 ［10 ］将SMA丝或薄膜粘贴在易于产生裂纹或应力集中较大的地方, 当产生裂纹后， SMA 就会随裂纹表面张开而产生变形 ， 这样材料内 部的电阻值就会发生变化， 通过电阻值的变化就可判断裂纹的宽度 ， 当裂纹的宽度超过一定的范围后，将SMA加热，由此SMA就会收 缩， 产生回复力， 该回复力可驱动裂纹闭合因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点， 我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿微 型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器 及医用内窥镜都属于这一类形状记忆合金用作机器智能人的执行器, 集传感、控制、换能、制动于一身, 具有仿真性好、控制灵活、动作 柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点日本的日立公司已 研制出具有13 个自由度的能拣取鸡蛋的机器人［11-12 ］日常生活中也已用到SMA ,已商品化的一种眼睛架，采用了伪 弹性的N i2T i合金材料，以吸收外力造成的变形而不影响镜架在 眼镜框架的鼻梁和耳部装配T i2N i合金可使人感到舒适并抗磨损， 由于T i2Ni合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界 ［9 ］。

用超弹性T i2N i合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记 忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片这些超弹性合金制造的眼 镜框架的变形能力很大， 而普通的眼镜框则不能做到4 结语经过几十年的努力 ， 人们基本掌握了 SMA 的一些基本原理和 特性， 研制出了一系列的形状记忆合金， 并将之用于实践， 但目前对 SMA 的使用存在一些问题急需积累并分析关于材料特性、功能可 靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料可以预言， 随 着对SMA研究的进一步深化，传统的机电一体化系统完全有可能发 展成为材料电子一体化系统［参考文献］［1 ］舟久保，熙康.形状记忆合金［M ］.机械工业出版社,1992.［2 ］全小平，何发昌.形状记忆合金应用现状及探讨J ］.杭州电子工业学院学报,1992, 3(1) : 68- 75.[3 ]杨凯.形状记忆合金的研究与应用J ].金属功能材料,2000, 5: 7- 12.[4 ]屈乃琴.德国形状记忆合金的研究进展与开发J ].上海有色金属，1997, 18 (4) : 174- 176.[5 ]张婕等.高温形状记忆合金J ].贵金属,2001, 22 (4) : 69- 74.[6 ]杨杰，吴月华.形状记忆合金及其应用[M ].合肥：中国科学技术大学出版社,1993, 163- 173.[7 ]刘丽荣，陈庆福.Cu- A l- N i形状记忆合金的发展J ].辽宁工学院学报,2000, 20 (4)[8 ]杜彦良，赢景旭.力学进展J ]. 1994, 24 (4) : 499.[9 ]王辉，陈再良.形状记忆合金材料的应用J ].机械工程材料,2002, 26 (3) : 5- 8.[10 ]姜左.形状记忆合金的非线性与医学应用研究J ].金属功能材料,2001, 8 (4) : 13- 14.[11 ]焦正，刘锦淮.形状记忆执行材料研究进展J ]•传感器世界,2001, 4[12 ]李静明•储氢合金的研究进展J ].安庆师范学院学报(自然科学版),2004, 10 (3) : 15-17。