課件-形狀記憶合金.ppt

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1、物理所:高萌邢令義形狀記憶合金擁有“大腦”的合金Yes,Icanalsoremember沒放入熱水前放入熱水后冷卻至室溫后再次放入熱水后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況引例主要內(nèi)容形狀記憶合金及馬氏體相變形狀記憶效應(yīng)的兩種主要機理形狀記憶合金的分類及性能應(yīng)用形狀記憶合金及馬氏體相變形狀記憶合金形狀記憶合金(ShapeMemoryEffect,簡稱SMA)具有形狀記憶效應(yīng)的金屬,通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)成的合金。形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect,簡稱SME)在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來,在低溫

2、相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀,然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時,通過馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀的現(xiàn)象。相→相變馬氏體馬氏體相變相:系統(tǒng)中具有確定成分和結(jié)構(gòu)的部分叫做相。材料的一個相具有不同于其他相的物理、化學(xué)特性。當(dāng)系統(tǒng)的外在約束條件(如溫度、壓力等)改變時,物相將發(fā)生改變,相變的同時,材料的性能也發(fā)生改變。相變的條件:(1)化學(xué)成分的變化(2)晶體結(jié)構(gòu)的變化(3)有序程度的變化回顧鐵的兩種晶體結(jié)構(gòu):體心立方結(jié)構(gòu)(存在于兩個溫度范圍內(nèi),912℃以下稱α鐵,1394℃以上稱δ鐵);面心立方結(jié)構(gòu)(存在于912~1

3、394℃之間,稱γ鐵)以鋼為例介紹馬氏體相變碳在鋼中的兩種主要存在形式:溶入鐵中與鐵形成固溶體;與鐵形成鐵碳化合物,稱滲碳體(Fe3C)。碳溶于α鐵中形成的固溶體稱鐵素體;溶于γ鐵中形成的固溶體稱奧氏體,其最大溶解度為2.11%。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(C曲線)馬氏體珠光體貝氏體奧氏體A1至550℃為高溫轉(zhuǎn)變區(qū),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體(P)550℃~Ms為中溫轉(zhuǎn)變區(qū),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體(B)Ms~Mf為低溫轉(zhuǎn)變區(qū),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體(M)馬氏體相變當(dāng)母相奧氏體快速冷卻時,奧氏體轉(zhuǎn)變成片狀或針狀新相,新相為體心四方結(jié)構(gòu),與母相的結(jié)構(gòu)不同,

4、但新相與母相的成分相同。人們把鋼經(jīng)高溫淬火后形成的相叫做馬氏體相。從奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變叫做馬氏體相變,馬氏體相變是無擴(kuò)散型相變。奧氏體(A)馬氏體(M)鋼淬火工藝曲線AM鋼的馬氏體相變不可逆冷卻加熱奧氏體相馬氏體相(M)高溫低溫降溫升溫產(chǎn)生形狀記憶的條件形狀記憶效應(yīng)的兩種主要機理熱彈性馬氏體相變應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變降溫過程中,奧氏體將轉(zhuǎn)變成馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變開始和終了溫度分別以Ms、Mf表示;加熱過程中,馬氏體逆相變開始和終了溫度分別以As、Af表示。對于不同材料,這些特征溫度不同。馬氏體逆相變中存在熱滯后現(xiàn)象,使得As大于

5、Ms。按As-Ms的大小和馬氏體的生長特征將馬氏體相變分成非熱彈性馬氏體相變和熱彈性馬氏體相變兩類。熱彈性馬氏體相變Au-Cd合金的相變屬熱彈性馬氏體相變,相變溫度滯后很小,As-Ms約10℃,馬氏體核心以突發(fā)式成核并長到一定大小,馬氏體相和母相間保持著彈性平衡。溫度下降時,相變化學(xué)自由能增大,馬氏體長大的推動力增大,馬氏體片的厚度、大小繼續(xù)增加,同時也可能形成新的馬氏體核心。反之,如果升高溫度,則轉(zhuǎn)變就向相反的方向進(jìn)行,即馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,馬氏體片就縮小,甚至完全消失。在這種情況下,只要馬氏體界面上的共格性未被破壞,則馬

6、氏體片可隨著驅(qū)動力的改變而反復(fù)發(fā)生長大或縮小。具有這種特征的馬氏體稱為“熱彈性馬氏體”。奧氏體相馬氏體相(M)高溫低溫降溫升溫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變超彈性(superelasticity)變形對母相狀態(tài)的樣品在Af溫度以上施加外力,隨外力增加,樣品首先發(fā)生遵循虎克(Hook)定律的彈性變形。應(yīng)力超過彈性極限后,隨應(yīng)力的緩慢增加,樣品的應(yīng)變顯著增加,在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)卸載,應(yīng)變會完全消失,如同彈性變形,但其應(yīng)變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通常意義上的彈性變形,稱之為超彈性變形。其實質(zhì)與彈性變形不同。超彈性變形是由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變導(dǎo)致的。隨外加應(yīng)力的

7、增加,在應(yīng)力作用下母相與馬氏體間處于平衡的溫度T0(σ)增加,Ms和Af也相應(yīng)增加。當(dāng)Ms超過環(huán)境溫度時,母相開始相變?yōu)轳R氏體。隨應(yīng)力的增加,Ms高于環(huán)境溫度的幅度更大,馬氏體轉(zhuǎn)變的量隨之增加,即馬氏體由應(yīng)力誘發(fā)而形成,發(fā)生了應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。卸除外力,合金的相變點降低,回復(fù)到應(yīng)力為零時的相變點。由于此時合金的Af點低于環(huán)境溫度,馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相,樣品的變形隨之消失,顯示出超彈性。熱彈性本質(zhì)相同,都是由馬氏體相變引起的超彈性奧氏體相馬氏體相(M)加應(yīng)力卸載應(yīng)力形狀記憶機理總結(jié)熱彈性馬氏體和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體統(tǒng)稱為彈性馬氏體。只

8、有彈性馬氏體相變才能產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)是由于合金中發(fā)生了熱彈性或應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。形狀記憶合金的分類及性能形狀記憶合金分類(1)單程記憶效應(yīng)在較低的溫度下變形,只在加熱到Af以上,馬氏體逆轉(zhuǎn)變成奧氏體,發(fā)生形狀回復(fù)的現(xiàn)象,顯示出記憶熱態(tài)形狀的能力。(2)雙程記憶

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