形狀記憶合金的研究與展望

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1、形狀記憶合金的研究與展望摘要：形狀記憶合金是新近崛起的一類高科技功能材料。應(yīng)用已遍及航天、航空、電子、機(jī)械、能源、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械人以至日常用品等領(lǐng)域。本文簡要闡述了目前主要的形狀記憶合金的類別及其影響形狀記憶效應(yīng)的因素。關(guān)鍵詞：形狀記憶合金；形狀記憶效應(yīng)；馬氏體相變分類號：A715文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A引言形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,簡稱SMA)是新近崛起的一類高科技功能材料。這類合金在某一溫度下受外力而變形，當(dāng)外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當(dāng)溫度上升到某一溫度，材料會(huì)自動(dòng)回復(fù)到變形前

2、原有的形狀，能夠大致上恢復(fù)至變形前的形狀，這種所具有的回復(fù)原始形狀的能力，稱為形狀記fc效應(yīng)(ShapeMemoryEffect，SME)［1］。自該合金發(fā)現(xiàn)以來，它以獨(dú)特的形狀記億效應(yīng)和超彈性(Superelasticity)而引起人們的注視，并正逐漸得到日益廣泛的應(yīng)用，并在數(shù)量上已經(jīng)躍居馬氏體相變研究的首位［2］。形狀記記合金的應(yīng)用已遍及航天、航空、電子、機(jī)械、能源、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械人以至日常用品等領(lǐng)域。在應(yīng)用領(lǐng)域，其發(fā)展階段大致經(jīng)歷了組分的變化及性能的提高。NiTi合金和Cu基合金的開發(fā)應(yīng)用主要集中在

3、上世紀(jì)60~80年代，而鐵基合金的開發(fā)應(yīng)用相對較晚。但是，這些合金的研究在今年來也一直受到關(guān)注，研究從未中斷。近年來形狀記憶合金研究所取得的進(jìn)展也主要體現(xiàn)在為NiTi,Cu基和Fe基形狀記j乙合金開發(fā)應(yīng)用所進(jìn)行的基礎(chǔ)研究的探索上。1.形狀記憶合金的分類1.1鈦鎳形狀記憶合金［3］1963年，W.Buehler等人在美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了鈦鎳形狀記憶合金具有可逆馬氏體相變導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)［4］，隨后引起了人們的極大興趣，并很快得到應(yīng)用。迄今為止，有TiNi形狀記憶合金的研究仍在不斷地開展，在一系列的國際會(huì)議

4、上，如馬氏體相變國際會(huì)議（ICOMAT）、歐洲馬氏體相變會(huì)議（ECOMAT）、形狀記憶與超彈性國際會(huì)議（SMST），形狀記憶材料國際會(huì)議（S麗）等，都占有很大比重，在有關(guān)智能材料和結(jié)構(gòu)方面的國際會(huì)議上也占有一定比重?，F(xiàn)在，鈥鎳合金因其兼具新穎的形狀記憶、優(yōu)良的超彈性等力學(xué)性能以及抗化學(xué)腐蝕性能與出色的生物相容性能已被廣泛地應(yīng)用于土木、機(jī)械、控制、電子等工業(yè)領(lǐng)域以及醫(yī)療器械中。鈥鎳形狀記憶合金兼具良好的生物相容性，特別是多孔鈦鎳形狀記憶合金的開發(fā)在醫(yī)用材料領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。多孔鎳鈦形狀記憶合金研究開始于2

5、0世紀(jì)60年代，該材料在剛度、強(qiáng)度以及重量分布等方面最符合生物體的要求。其作為骨、關(guān)節(jié)和牙根等承力植入材料的修復(fù)和替換材料有著廣泛的應(yīng)用前景［5］。鈥鎳形狀記憶合金的相變機(jī)理是形狀記憶與超彈性等力學(xué)功能性行為的基礎(chǔ)。目前，對于鈥鎳合金的相圖、相變機(jī)理、相變產(chǎn)物的組織形貌和晶體結(jié)構(gòu)及合金成分和加工工藝等對相變的影響已基本研究清楚，并在工程實(shí)際中得到應(yīng)用［6-7］。但是隨著應(yīng)用的深人，對欽鎳合金的基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，目前的研究主要集中在馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)和鈦鎳合金的多級相變方面。1.2銅基形狀記憶合金［6］該類

6、形狀記憶合金主要分為Cu-Zn系和Cu-Al系兩大類，并且這些銅基材料有一個(gè)共同點(diǎn)即母相為體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）o與Ni-Ti基記憶合金相比，Cu基記憶合金具有成本低廉的優(yōu)勢，其中Cu-Al-Ni合金還具有足夠時(shí)效穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高溫（可迗近200°C）形狀記憶性能。但是，銅基合金易產(chǎn)生晶界斷裂和晶粒粗大，導(dǎo)致其力學(xué)性能相對較差，嚴(yán)重阻礙了其工程應(yīng)用。1.3鐵基形狀記憶合金［7］在鐵基合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)與NiTi合金和Cu基合金相比，鐵基形狀記憶合金具有強(qiáng)度高、塑性好、易加工、價(jià)格低廉、使用方便（不

7、需要在低溫保存）等優(yōu)點(diǎn)，其相變機(jī)理與其它記憶合金不同，因此無論在學(xué)術(shù)上還是在應(yīng)用領(lǐng)域都有重要研究價(jià)值。據(jù)最新的研究表明，形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變和逆相變等密切相關(guān)，為此定義了各相關(guān)的溫度點(diǎn)。當(dāng)冷卻時(shí)馬氏體相變開始溫度為Ms點(diǎn)，終了溫度為Mf點(diǎn)。當(dāng)加熱時(shí)馬氏體逆相變開始溫度為As點(diǎn)，終了溫度為Af點(diǎn)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的上限為Md點(diǎn)。參與馬氏體相變的高溫相和低溫相分別稱為母相和馬氏體相。形狀回復(fù)驅(qū)動(dòng)力是在加熱溫度下，母相與馬氏體相的自由能之差.但是，為了使形狀恢復(fù)完全，馬氏體相變必須是晶體學(xué)上可逆的熱彈性馬氏

8、體相變[1]。1.4非晶態(tài)形狀記憶合金非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃，在1980年左右，日本東北大學(xué)的井上名久教授制備出了具有較大非晶形成能力的金屬玻璃成分，在鑄造下其臨界尺寸已超過毫米級。臨界尺寸迗到1毫米以上的金屬玻璃被稱為塊體金屬玻璃。多年來的研究已經(jīng)證明了非晶態(tài)合金具有極高的強(qiáng)度和硬度，其塑性變形能力也展現(xiàn)出了可觀的改善。對于非晶態(tài)合金的形狀記憶效應(yīng)是在改善其塑性變形能力是發(fā)現(xiàn)的。晶體相嵌入在非晶態(tài)合金中，該晶向