主要的几类记忆合金及性能.ppt

第二节第二节 主要的几类记忆合金及性能主要的几类记忆合金及性能一．一．Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金•Ti-Ni基合金是基合金是最早最早发展的记忆合金．发展的记忆合金．•特点：特点：–记忆效应优良记忆效应优良–性能稳定性能稳定–生物相容性好生物相容性好–但制造过程较复杂，价格昂贵．但制造过程较复杂，价格昂贵．•Ti－－Ni基记忆合金中的基本相和相变基记忆合金中的基本相和相变–Ti－－Ni二元合金系中有三个金属间化合物：二元合金系中有三个金属间化合物：TiNi、、Ti2Ni 、、 TiNi3．．Ti-Ni基记忆合金是基记忆合金是基于基于TiNi金属间化合物的合金金属间化合物的合金．．–TiNi晶体结构：高温时：晶体结构：高温时：B2(CsCl结构结构)，为，为母相母相．．–TiNi由高温冷却时发生马氏体相变，由高温冷却时发生马氏体相变，马氏体结构马氏体结构：：单斜晶体单斜晶体．．1Ti-Ni 相图相图2–在适当的热处理或成分条件下，在适当的热处理或成分条件下，Ti-Ni合金还会形成合金还会形成R相相．．–R相结构：菱面体点阵相结构：菱面体点阵–Ti-Ni合金冷却合金冷却时，根据成分和预处理条件的不同，呈现时，根据成分和预处理条件的不同，呈现两种不同的相变两种不同的相变过程：过程：•母相母相马氏体马氏体•母相母相 R相相(称称R相变相变)  马氏体马氏体–加热时：加热时：•马氏体马氏体 R相相母相母相–这些相变都是这些相变都是热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变. 按上述晶体学机制实现形状记忆效应．按上述晶体学机制实现形状记忆效应．出现出现R相变时，相变时， Ti-Ni合金的记忆效应是合金的记忆效应是由两个相变阶段由两个相变阶段贡献的．无贡献的．无R相变相变时，记忆效应是由母相时，记忆效应是由母相马氏体的马氏体的单一相变单一相变贡献的．贡献的．–根据成分和热处理条件不同，根据成分和热处理条件不同， Ti-Ni合金中有弥散的合金中有弥散的第二相析出：第二相析出：如如Ti3Ni4、、Ti2Ni3、、TiNi3、、Ti2Ni等，其中等，其中Ti3Ni4、、Ti2Ni3是是亚稳相亚稳相．第二相的．第二相的存在对存在对Ti-Ni合金的记忆效应、力学性能有显著的影响．合金的记忆效应、力学性能有显著的影响．3图图4-14 Ti-50.5Ni合金的电阻温度曲线合金的电阻温度曲线1273 K固溶处理后固溶处理后673 K时效时效1 h①①电阻为任意单位电阻为任意单位 ②②含含Ni为为(Ni)50.5%4•合金元素对合金元素对Ti-Ni合金相变的影响合金相变的影响–加加Cu：：Cu置换置换Ni•形状记忆效应形状记忆效应、、力学性能仍很好，合金价格力学性能仍很好，合金价格 ．．•Ms  ，，热滞热滞 –加加Nb：：纯纯Nb相相弥散分布在弥散分布在TiNi基体．基体．•热滞热滞 –加加Fe：：•出现出现R相变相变，相变过程明显分为，相变过程明显分为两个阶段两个阶段．．•Ti-Ni记忆合金的力学性能记忆合金的力学性能–Ti-Ni记忆合金在记忆合金在一定温度下发生马氏体相变一定温度下发生马氏体相变和和应力诱发马氏体相变应力诱发马氏体相变，因，因此，合金的变形是在马氏体相还是在母相进行，变形时此，合金的变形是在马氏体相还是在母相进行，变形时是否发生应力诱是否发生应力诱发马氏体相变发马氏体相变等因素对合金的等因素对合金的应力－应变应力－应变关系有很大影响关系有很大影响.–按按变形温度变形温度(Td)与相变点的关系，与相变点的关系，Ti-Ni合金的合金的应力－应变曲线应力－应变曲线分为分为五种五种类型类型（如图（如图4－－1 6）：）：5•a) Td

的条件下得到的•e) Td >> Md, 不发生应力诱发马氏体相变，在应力作用下不发生应力诱发马氏体相变，在应力作用下, 母相母相产生产生塑性变形塑性变形.–记忆合金的记忆变形是可逆的，但记忆合金会发生记忆合金的记忆变形是可逆的，但记忆合金会发生疲劳破坏：疲劳破坏：由于有第由于有第二相或夹杂以及晶粒取向不同等因素，记忆合金变形总有不协同性，二相或夹杂以及晶粒取向不同等因素，记忆合金变形总有不协同性，在在晶界和相界上产生应力集中晶界和相界上产生应力集中，导致裂纹形成和断裂．，导致裂纹形成和断裂．–总体上总体上Ti-Ni合金具有良好的抗疲劳性能，是所有记忆合金中合金具有良好的抗疲劳性能，是所有记忆合金中抗疲劳性能抗疲劳性能最好的材料最好的材料．．二．二．Cu基形状记忆合金基形状记忆合金•主要两种主要两种Cu基形状记忆合金：基形状记忆合金：–Cu-Zn-Al基基–Cu-Al-Ni基基7•特点：特点：–形状记忆效应好形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造等．，价格便宜，易于加工制造等．–但与但与Ti-Ni记忆合金相比：记忆合金相比：强度较低强度较低，，稳定性及耐疲劳性能差稳定性及耐疲劳性能差，不具　　　，不具　　　有生物相容性．有生物相容性．•Cu基记忆合金中的基本相基记忆合金中的基本相 ：：–Cu-Zn-Al 合金合金：：•母相母相－－ ′相：相： B2(CsCl结构结构)或或DO3(Fe3Al结构结构)，属立方晶系，属立方晶系•马氏体：马氏体：9R、、18R、、2H等不同的结构．等不同的结构．–Cu-Al-Ni 合金合金：：母相与马氏体母相与马氏体的晶体结构与的晶体结构与Cu-Zn-Al 基本基本类似类似．．•Cu基记忆合金中的基记忆合金中的稳定性：稳定性：–相变点相变点对对合金成分合金成分十分敏感．十分敏感．–存在较严重的存在较严重的马氏体稳定化现象：马氏体稳定化现象：淬火后淬火后合金的合金的相变点相变点会随着放置时间会随着放置时间的延长的延长增加增加直至达到一稳定值．直至达到一稳定值．–热－力循环对合金的记忆效应影响显著．随热－力循环的进行，热－力循环对合金的记忆效应影响显著．随热－力循环的进行，Ms、、As、、Af等上升，等上升，相变热滞相变热滞显著显著增大增大．．8•Cu基记忆合金成分范围基记忆合金成分范围在在β相区内相区内.•当将当将β相区成分的合金从相区成分的合金从高温淬火冷却，高温淬火冷却，β相发生相发生有序化相变转变为亚稳的有序化相变转变为亚稳的有序有序β′相相.•进一步冷却时进一步冷却时β′相发生热相发生热弹性马氏体相变弹性马氏体相变，故，故β’相相是母相是母相. 9•Cu基记忆合金的基记忆合金的力学性能：力学性能：–Cu基记忆合金的基记忆合金的力学性能较差力学性能较差．主要因为．主要因为弹性各向异性常数很大、晶粒弹性各向异性常数很大、晶粒粗大粗大，变形时很容易产生，变形时很容易产生应力集中应力集中，导致晶界开裂．，导致晶界开裂．–提高提高Cu基记忆合金基记忆合金塑性塑性和和疲劳寿命疲劳寿命的方法：的方法：•制备单晶或形成定向织构；制备单晶或形成定向织构；•细化晶粒：细化晶粒：添加合金元素、控制再结晶、快速凝固、粉末冶金等．添加合金元素、控制再结晶、快速凝固、粉末冶金等． 三．三．Fe基形状记忆合金基形状记忆合金•Fe基形状记忆合金分为两类：基形状记忆合金分为两类：–基于热弹性马氏体相变基于热弹性马氏体相变–基于非热弹性可逆马氏体相变基于非热弹性可逆马氏体相变•特点：强度高、易于加工成形．特点：强度高、易于加工成形．•具备形状记忆功能的铁基合金需满足：具备形状记忆功能的铁基合金需满足：1)母相具有高的屈服点或低的弹性极限；母相具有高的屈服点或低的弹性极限；2)马氏体相变引起的体积变化和切变应变较小马氏体相变引起的体积变化和切变应变较小；；3)马氏体的正方度马氏体的正方度(c／／a)大，有利于大，有利于形成孪晶亚结构形成孪晶亚结构；；4)Ms较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服点较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服点.10–从马氏体的形态方面考察从马氏体的形态方面考察，当达到上述要求时，铁基合金中的马氏体一，当达到上述要求时，铁基合金中的马氏体一般般呈薄片状呈薄片状. 通过适当的合金化，在铁基合金可实现通过适当的合金化，在铁基合金可实现热弹性热弹性或或非热弹性非热弹性可可逆马氏体相变逆马氏体相变，进而发展出基于这两种相变的铁基形状记忆合金，进而发展出基于这两种相变的铁基形状记忆合金.•基于基于热弹性可逆马氏体相变热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金：的铁基形状记忆合金：–Fe-Pt：： (约约w(Pt)25％％)、、Fe-Pd：： (约约w (Pd )30％％)，昂贵未能应用．，昂贵未能应用．–Fe-Ni-Co-Ti合金合金：：Fe-w(Ni)33％％-w(Co)10％％-w(Ti)4％％，价格偏高，，价格偏高，Ms太太低低(约约200K)，应用受限．，应用受限．•基于基于非热弹性可逆马氏体相变非热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金的铁基形状记忆合金–在在Fe-Mn-Si合金中，合金中，应力诱发应力诱发形成的形成的薄片状薄片状 -马氏体（相变时体积变化马氏体（相变时体积变化小）小），在，在加热时加热时能够能够逆转变为奥氏体逆转变为奥氏体．．–在在Ms以上施加应力时，以上施加应力时，  -马氏体马氏体在与相变应变相适应的应力方向形成并在与相变应变相适应的应力方向形成并使合金产生宏观变形．使合金产生宏观变形．加热加热到到Af以上以上 -马氏体马氏体逆转变回奥氏体逆转变回奥氏体，变形随，变形随之消失，实现形状记忆之消失，实现形状记忆.–Fe-w(Mn)(28-33)％％-w(Si)(5-6)％合金％合金: 有较好的记忆效应，有较好的记忆效应，Ms点在室温点在室温附近附近. –Fe- Cr-Ni-Mn-Si-Co合金合金:有较好的记忆效应，有较好的记忆效应，回复变形高达回复变形高达4％，％，Ms:173-323K，耐蚀性很好，耐蚀性很好.11四．记忆合金的应用四．记忆合金的应用•应用领域：温度继电器、玩具、机械、电子、自动控制、机器人、医疗热机应用领域：温度继电器、玩具、机械、电子、自动控制、机器人、医疗热机 等等１）用记忆合金作铆钉１）用记忆合金作铆钉12２）用记忆合金作管接头２）用记忆合金作管接头•在在Af以上记忆合金管接头以上记忆合金管接头的内径比管子的外径略小的内径比管子的外径略小. 在在Mf以下以下, 对对管接头进行扩管接头进行扩径径, 并将管子插入被扩径的并将管子插入被扩径的接头中接头中. 随将之随将之加热到加热到Af以上以上, 管接头的内径恢复管接头的内径恢复原来的尺寸，从而将管子原来的尺寸，从而将管子紧紧的箍住，完成管子紧紧的箍住，完成管子的连接的连接.3) Ti-Ni状记忆合金大量状记忆合金大量用于医疗领域用于医疗领域: 用作心用作心血管支架血管支架、牙齿矫形丝、、牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤夹、血栓过滤器、动脉瘤夹、接骨板等接骨板等.TAf13。