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1、第四章第四章 形状记忆合金形状记忆合金4.1 形状记忆原理形状记忆原理一、形状记忆合金中的几个基本概念一、形状记忆合金中的几个基本概念1、形状记忆效应、形状记忆效应 一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形；一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形；达到屈服点时，产生塑性变形；当外力去除后，要留达到屈服点时，产生塑性变形；当外力去除后，要留下永久变形。下永久变形。有些金属材料，在发生了塑性变形后，经过加热，有些金属材料，在发生了塑性变形后，经过加热，加热到某一温度之上时，能够回复到塑性变形前的加热到某一温度之上时，能够回复到塑性变形前的形状。这种现象就称作形状记忆效应。形状。这种现象就
2、称作形状记忆效应。具有形状记忆效应的金属材料通常都是由两种或两具有形状记忆效应的金属材料通常都是由两种或两种以上的金属元素组成的合金，这种合金就称作形种以上的金属元素组成的合金，这种合金就称作形状记忆合金。状记忆合金。形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。通常把形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。通常把马氏体相变中的高温相叫做母相（马氏体相变中的高温相叫做母相（P），低温相），低温相叫做马氏体（叫做马氏体（M），从母相到马氏体的相变叫做），从母相到马氏体的相变叫做马氏体正相变，或简称马氏体相变，而从马氏体马氏体正相变，或简称马氏体相变，而从马氏体到母相的相变叫做马氏体逆相变。到母相的相变叫做马氏
3、体逆相变。形状记忆效应发生在马氏体逆相变过程中，通常，形状记忆效应发生在马氏体逆相变过程中，通常，不仅晶体结构完全回复到母相状态，而且晶格位不仅晶体结构完全回复到母相状态，而且晶格位向也要完全回复到母相状态。向也要完全回复到母相状态。2、热弹性马氏体相变、热弹性马氏体相变几个符号：几个符号：Ms为冷却过程中，马氏体相变开始的温度；为冷却过程中，马氏体相变开始的温度；Mf为冷却过程中，马氏体相变终了温度；为冷却过程中，马氏体相变终了温度；As为加热过程中，马氏体逆相变开始的温度；为加热过程中，马氏体逆相变开始的温度；Af为加热过程中，马氏体逆相变终了温度。为加热过程中，马氏体逆相变终了温度。非热
4、弹性马氏体相变的特点：非热弹性马氏体相变的特点：相变温度滞后非常大，一般为几百度；相变温度滞后非常大，一般为几百度；马氏体相变是爆发式的，即各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终马氏体相变是爆发式的，即各个马氏体片几乎是在瞬间就长到最终大小，而且不会因为温度降低而再长大。大小，而且不会因为温度降低而再长大。普通铁碳合金的马氏体相变属于此类。普通铁碳合金的马氏体相变属于此类。热弹性马氏体相变特点：热弹性马氏体相变特点：相变温度滞后小，一般要比非热弹性马氏体相变小一个数量级以上，相变温度滞后小，一般要比非热弹性马氏体相变小一个数量级以上，甚至只有几度的温度滞后；甚至只有几度的温度滞后；相变时，马氏体片
5、是随温度的变化而逐渐长大或收缩的。冷却时马相变时，马氏体片是随温度的变化而逐渐长大或收缩的。冷却时马氏体片随温度下降逐渐长大，而温度回升时马氏体片又反过来同步地氏体片随温度下降逐渐长大，而温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小。随温度上升而缩小。具有这种特点的马氏体称为热弹性马氏体，而这种相变就称为热弹性具有这种特点的马氏体称为热弹性马氏体，而这种相变就称为热弹性马氏体相变。马氏体相变。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，两者间的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，两者间的关系：关系：先将母相淬火，得到马氏体；然后使马氏体发生塑性变形；再对变形先将母相
6、淬火，得到马氏体；然后使马氏体发生塑性变形；再对变形后的合金加热，当温度高于后的合金加热，当温度高于As时，马氏体便发生逆转变，向母相原始时，马氏体便发生逆转变，向母相原始状态回复；若温度升高到状态回复；若温度升高到Af，则马氏体全部消失，合金完全回复到原来，则马氏体全部消失，合金完全回复到原来的形状。的形状。说明：具有热弹性马氏体相变的合金并不一定都具有形状记忆效应。说明：具有热弹性马氏体相变的合金并不一定都具有形状记忆效应。3、应力诱发马氏体相变、应力诱发马氏体相变形状记忆合金，从母相状态冷却时，只有冷到形状记忆合金，从母相状态冷却时，只有冷到Ms温度，温度，才会发生马氏体相变。但是，若对
7、形状记忆合金施加了才会发生马氏体相变。但是，若对形状记忆合金施加了外力，则在外力，则在Ms温度以上就可以发生马氏体相变，这种马温度以上就可以发生马氏体相变，这种马氏体相变就称为应力诱发马氏体相变，所形成的马氏体氏体相变就称为应力诱发马氏体相变，所形成的马氏体便称为应力诱发马氏体。便称为应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属于弹性马氏体，具有如下特点：有些应力诱发马氏体也属于弹性马氏体，具有如下特点：应力增加时马氏体长大，应力减小时马氏体缩小，若应应力增加时马氏体长大，应力减小时马氏体缩小，若应力消除，则马氏体也消失。这种马氏体就叫做应力弹性力消除，则马氏体也消失。这种马氏体就叫做应力弹性马氏体
8、。马氏体。应力诱发马氏体相变时，即使应力很小，也能导致合金应力诱发马氏体相变时，即使应力很小，也能导致合金的宏观变形。为剪切变形。的宏观变形。为剪切变形。4、相变伪弹性、相变伪弹性某些形状记忆合金，在某些形状记忆合金，在Af温度以上通过应力诱发的马氏体，只在应力温度以上通过应力诱发的马氏体，只在应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，将立即产生逆相变，而回复作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，将立即产生逆相变，而回复到母相状态，与此同时，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而到母相状态，与此同时，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失。这种现象称为相变伪弹性，也称作超弹性。完全消失。这
9、种现象称为相变伪弹性，也称作超弹性。伪弹性是指应力伪弹性是指应力应变曲线是非线性的，且加载与卸载时的曲线不重应变曲线是非线性的，且加载与卸载时的曲线不重合，存在明显的滞后现象。合，存在明显的滞后现象。形状记忆合金的相变伪弹性和形状记忆效应，本质上是同一个现象，形状记忆合金的相变伪弹性和形状记忆效应，本质上是同一个现象，区别仅仅在于：相变伪弹性是在应力解除后产生马氏体逆相变使形状区别仅仅在于：相变伪弹性是在应力解除后产生马氏体逆相变使形状回复到母相状态；而形状记忆效应是通过加热产生逆相变回复到母相。回复到母相状态；而形状记忆效应是通过加热产生逆相变回复到母相。所以，产生热弹性马氏体相变的大部分合
10、金，不仅有形状记忆效应，所以，产生热弹性马氏体相变的大部分合金，不仅有形状记忆效应，也表现出伪弹性。也表现出伪弹性。5、马氏体变体、马氏体变体当形状记忆合金被冷却到相变温度当形状记忆合金被冷却到相变温度Ms以下时，母相的一个以下时，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但晶体学结构、特征晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但晶体学结构、特征完全相同的马氏体。这种惯习面位向不同的马氏体就叫做完全相同的马氏体。这种惯习面位向不同的马氏体就叫做马氏体变体。马氏体变体。马氏体变体的产生，是由于马氏体相变的特点所决定的，马氏体变体的产生，是由于马氏体相变的特点所决定的，因为马氏体相变为非扩散型相变（或切
11、变型相变），它是因为马氏体相变为非扩散型相变（或切变型相变），它是通过原子团的整体改组，通过剪切变形而形成的。由于剪通过原子团的整体改组，通过剪切变形而形成的。由于剪切变形的方向不同，就会产生结构相同，位向不同的马氏切变形的方向不同，就会产生结构相同，位向不同的马氏体，即马氏体变体。体，即马氏体变体。实验结果表明，马氏体变体存在实验结果表明，马氏体变体存在24个，而在每个马氏体变个，而在每个马氏体变体生成时都伴随有形状变化，因此会在局部产生凹凸；但体生成时都伴随有形状变化，因此会在局部产生凹凸；但是，作为整体，在相变前后合金的形状并不发生改变，因是，作为整体，在相变前后合金的形状并不发生改变，
12、因为若干个马氏体变体能够组成一些特殊的片群（如菱形状，为若干个马氏体变体能够组成一些特殊的片群（如菱形状，或三角锥状片群），从而相互抵消了生成时产生的形状变或三角锥状片群），从而相互抵消了生成时产生的形状变化。这样的马氏体生成方式，被称作自协作，或自适应现化。这样的马氏体生成方式，被称作自协作，或自适应现象。象。如果存在有外部应力或内应力，则某些特定的马氏体变体，如果存在有外部应力或内应力，则某些特定的马氏体变体，将相对于应力处于最有利的位向而优先生成，这时，合金将相对于应力处于最有利的位向而优先生成，这时，合金的整体将会表现出宏观的形状变化。的整体将会表现出宏观的形状变化。马氏体变体在相变过
13、程中的自协作，是形状记忆效应的重马氏体变体在相变过程中的自协作，是形状记忆效应的重要机制。要机制。二、形状记忆合金的形状回复机制二、形状记忆合金的形状回复机制 1、热弹性马氏体相变的晶体学特征、热弹性马氏体相变的晶体学特征（1）具有晶体学可逆性）具有晶体学可逆性具体表现在两个方面：具体表现在两个方面：马氏体的晶体结构在逆相变中回复到原来母相的晶体结马氏体的晶体结构在逆相变中回复到原来母相的晶体结构上；构上；晶体位向上也能够得到完全的回复。晶体位向上也能够得到完全的回复。这是热弹性马氏体相变的一个重要特征，正是这个特征，这是热弹性马氏体相变的一个重要特征，正是这个特征，保证了形状记忆合金的记忆效
14、应。保证了形状记忆合金的记忆效应。（2）母相的结构简单、有序）母相的结构简单、有序从目前已经发现的形状记忆合金材料来看，其母相的结构从目前已经发现的形状记忆合金材料来看，其母相的结构均比较简单，一般为具有高对称性的立方点阵，而且绝大均比较简单，一般为具有高对称性的立方点阵，而且绝大部分为有序结构。部分为有序结构。而马氏体的晶体结构则比较复杂，一般认为是一种周期性而马氏体的晶体结构则比较复杂，一般认为是一种周期性的堆垛结构，对称性低，有时一种母相可以转变成几种不的堆垛结构，对称性低，有时一种母相可以转变成几种不同的马氏体结构。同的马氏体结构。对于给定的材料，其母相和马氏体相之间有着严格的晶格对于
15、给定的材料，其母相和马氏体相之间有着严格的晶格对应关系，马氏体相变和逆转变都是按这个关系进行的。对应关系，马氏体相变和逆转变都是按这个关系进行的。正是由于母相的结构简单、有序，进一步保证了马氏体相正是由于母相的结构简单、有序，进一步保证了马氏体相变的晶体学可逆性。变的晶体学可逆性。2、Mf温度以下马氏体的变形方式温度以下马氏体的变形方式研究结果表明：马氏体的变形方式为孪晶变形。马氏体中研究结果表明：马氏体的变形方式为孪晶变形。马氏体中缺陷面的移动或者界面的移动，对应着马氏体变体之间的缺陷面的移动或者界面的移动，对应着马氏体变体之间的转换，即是通过马氏体变体之间的转换来完成宏观变形的。转换，即是
16、通过马氏体变体之间的转换来完成宏观变形的。马氏体变体之间的转换过程：最初只在一个惯习面变体内马氏体变体之间的转换过程：最初只在一个惯习面变体内进行，接着在形成马氏体片群的几个马氏体变体之间进行，进行，接着在形成马氏体片群的几个马氏体变体之间进行，然后，再在不同的马氏体片群之间进行，最后，在整个晶然后，再在不同的马氏体片群之间进行，最后，在整个晶体中形成某一变体的马氏体单晶。体中形成某一变体的马氏体单晶。变体内孪晶变形变体内孪晶变形马氏体片群内变体相互马氏体片群内变体相互“吞食吞食”马氏马氏体片群之间体片群之间“吞食吞食”对应变体的单晶对应变体的单晶结论：结论：马氏体的变形过程，只是马氏体变体之间的一种马氏体的变形过程，只是马氏体变体之间的一种转换。转换。不管最后得到的是哪一个变体的单晶，该马氏体不管最后得到的是哪一个变体的单晶，该马氏体变体和原母相之间都存在严格的晶格对应关系。变体和原母相之间都存在严格的晶格对应关系。在对其重新加热时，必然能够通过马氏体的逆相在对其重新加热时，必然能够通过马氏体的逆相变回复到原始的母相状态。这就是形状记忆合金变回复到原始的母相状态。这就是形状记忆合金形
