功能材料(形狀記憶合金)

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1、功能材料FunctionMaterials主講：孫彥彬副教授第三章形狀記憶合金某些具有熱彈性馬氏體相變的合金材料，處于馬氏體狀態(tài)時，進(jìn)行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失的溫度時，變形材料就能恢復(fù)到變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect)，簡稱SME。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy)，簡稱(SMA)。如Cu-Sn，Cu-Zn，Cu-Al-Ni，Au-Cd，In-Tl，Ti-Ni等合金均具有形狀記憶效應(yīng)

2、。大部分形狀記憶合金的形狀記憶機(jī)理是熱彈性馬氏體相變。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(jīng)分解直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?母相)。母相向馬氏體相轉(zhuǎn)變開始、終了溫度稱為Ms、Mf；馬氏體向母相逆轉(zhuǎn)變開始、終了溫度稱為As、Af。3.1形狀記憶原理3.1.1熱彈性馬氏體相變具有馬氏體逆轉(zhuǎn)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，溫度回升時馬氏體片又反過來同步地隨溫度上升而縮小，這種馬氏體叫熱彈性馬氏體。在Ms以上某一溫度對合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變，形

3、成的馬氏體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。有些應(yīng)力誘發(fā)馬氏體也屬彈性馬氏體，應(yīng)力增加時馬氏體長大，反之馬氏體縮小，應(yīng)力消除后馬氏體消失，這種馬氏體叫應(yīng)力彈性馬氏體。母相受力生成馬氏體并發(fā)生形變，或先淬火得到馬氏體，然后使馬氏體發(fā)生塑性變形，變形后的合金受熱(溫度高于As)時，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，回復(fù)母相原始狀態(tài)；溫度升高至Af時，馬氏體消失，合金完全回復(fù)到原來的形狀。但是具有熱彈性馬氏體相變的材料并不都具有形狀記憶效應(yīng)，這一點可以從熱力學(xué)上給予證明，在此不詳細(xì)討論。3.1.2形狀記憶原理一些學(xué)者曾根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征，提出產(chǎn)生形

4、狀記憶效應(yīng)的條件是：(1)馬氏體相變是熱彈性的；(2)馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，即亞結(jié)構(gòu)為孿晶；(3)母相和馬氏體均為有序結(jié)構(gòu)。但隨著對形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述三個條件的合金(如Fe-Mn-Si合金，其馬氏體相變是半熱彈性的，且母相無序)也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。后來又發(fā)現(xiàn)不僅某些合金，陶瓷材料、高分子材料中也存在形狀記憶效應(yīng)，其機(jī)理亦與金屬材料不同。所以許多學(xué)者強(qiáng)調(diào)，根據(jù)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(jīng)過馬氏體相變及其逆相變，就會表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。馬氏體

5、相變是一種非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，母相向馬氏體轉(zhuǎn)變，可理解為原子排列面的切應(yīng)變。由于剪切形變方向不同，而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同，位向不同的馬氏體-馬氏體變體。以Cu-Zn合金為例，合金相變時圍繞母相的一個特定位向常形成四種自適應(yīng)的馬氏體變體，其慣習(xí)面以母相的該方向?qū)ΨQ排列。四種變體合稱為一個馬氏體片群，如圖3-1。圖3-1一個馬氏體片群(a)實線：孿晶界及變體之間的界面。虛線：基準(zhǔn)面；(b)在標(biāo)準(zhǔn)投影圖中，四個變體的慣習(xí)面法線的位置通常的形狀記憶合金根據(jù)馬氏體與母相的晶體學(xué)關(guān)系，共有六個這樣的片群，形成24種馬氏體變體。每個馬氏體片群中的各

6、個變體的位向不同，有各自不同的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力場中形成，它當(dāng)然取阻力小、能量低的方向，以降低總應(yīng)變能。由四種變體組成的片群總應(yīng)變幾乎為零，這就是馬氏體相變的自適應(yīng)現(xiàn)象。如圖3-2所示，記憶合金的24個變體組成六個片群及其晶體學(xué)關(guān)系，慣習(xí)面繞6個{110}分布，形成6個片群。圖3-224個自適應(yīng)馬氏體變體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，其中馬氏體順應(yīng)力方向發(fā)生再取向，即造成馬氏體的擇優(yōu)

7、取向。當(dāng)大部分或全部的馬氏體都采取一個取向時，整個材料在宏觀上表現(xiàn)為形變。對于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，生成的馬氏體沿外力方向擇優(yōu)取向，在相變同時，材料發(fā)生明顯變形，上述的24個馬氏體變體可以變成同一取向的單晶馬氏體。將變形馬氏體加熱到As點以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，因為馬氏體晶體的對稱性低，轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷r只形成幾個位向，甚至只有一個位向—母相原來的位向。尤其當(dāng)母相為長程有序時，更是如此。當(dāng)自適應(yīng)馬氏體片群中不同變體存在強(qiáng)的力學(xué)偶時，形成單一位向的母相傾向更大。逆轉(zhuǎn)變完成后，便完全回復(fù)了原來母相的晶體，宏觀變形也完全恢復(fù)。形狀記憶合金

8、母相的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般為具有高對稱性的立方點陣，且絕大部分為有序結(jié)構(gòu)。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)較母相復(fù)雜，對稱性低，且大多為長周期堆垛，同一母相可有幾種不同的馬氏體結(jié)構(gòu)，見表3-l。如果考慮內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)，馬氏體結(jié)構(gòu)則更為復(fù)雜：如9R，18R馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為層錯，3R與2H馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為孿晶。目前已知的一些形狀記憶合金，除I