形状记忆合金的发展和应用

形状记忆合金的发展和应用一.引言形状记忆合金((ShapeMemoryAl坷,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,SME)。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料，是集感知与驱动于一体的智能材料，因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目，并获得了广泛应用。二.形状记忆合金的发展历史与现状在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年，美国的Greningerh和Moora-than在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后，前苏联的Kurdiumo、对这种现象进行了研究。1951年，Chang和Read在Au-47.5at0oCd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年，美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的TiNi合金具有优良的形状记忆功能，并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金“Ni}-nol”以后，才引起了人们的广泛兴趣，对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段。二、形状记忆合金的特性形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的材料。这种材料在一定的状态及条件下}i经变形，但在加热至超过某一温度，或者卸除载荷后具有回复其原始形状的能力。图I示意地说明形状记忆效应(以及超弹性效应)的特点。一般合金的a一。曲线如图la所示。在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除后变形消失。但当应力超过弹性限后，将产生塑性变形，在应力卸除后，材料的变形不能完全消除而有残余变形存在，即材料不能回复原状。可是，对于形状记忆合金则情况便不相同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几到十几的大变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上时，则变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应(图1b)。如果加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生的大变形量无需加热只在卸载后便能自然回复。这种现象叫超弹性效应(图1c)o形状记忆合金一般兼具有这两种特性。不论形状记忆效应还是超弹性效应，它们的机制是相同的，即都是以马氏体发生逆向转变形成其母相(奥氏体)而使形状得到恢复为基础的。这种现象的发生同温度、应力有密切的关系。图2定性地表明这一关系。在图中，AB线乃是Ms点与应力(诱发马氏体形成的临界应力)的关系。CD线是在合金中发生滑移变形的临界应力。由此图可以看出，在高温区出现的是超弹性效应;在低温区出现的是形状记忆效应;中间部分是两种效应的重合地带。形状记忆现象早在研究Au-Cd合金的相变时就已发现，并确认为是热弹性马氏体可逆转变的结果。但直到1960年，美国海军兵器实验室制成NiTi记忆合金后，才开拓了形状记忆合金在工业技术上应用的新纪元。从此之后，记忆合金的研究和应用获得了大幅度的进展。在机械、计算机、机器人、能源等工业部门以及在医疗方面都获得了多方面的应用，取得了满意的效果。三、形状记忆合金的发展最近的研究表明，这种合金不仅发生M相变，而且还发生R(Rhomb,菱形结构)相变。这种R相变所产生的记忆效应同M相变所产生的记忆效应有所不同(表3)。由表3可以看出，M相变的记忆回复量及回复应力虽大，但温度滞后量也大。而R相变的记忆回复量及回复力虽小，但温度滞后量也小。相应地后者的疲劳寿命高，这对于作为执行机构的记忆材料是非常关键的。记忆合金的一个重要特征是其回复温度(Af温度)0NiTi合金的回复温度约为30}1000G图1})。为了获得具有更低回复温度的合金，在NiTi合金中加入Co，可使回复温度降至一lOC，从而使NiTi系记忆合金的使用范围可以扩展至更低的温区。为了降低NiTi合金的价格，改善其加工性和记忆特性，还开发了Ni-Ti-V及Ni-Ti-Cu等合金。2.铜基形状记忆合金与BViTi合金相比具有很多优点其一是价格便宜(只及后者的1/5}1/TO)。其次是制造工艺简便热加工性优良，其导热、导电性均较Ni'f'i合金为高，而且具有相变温度{M5)的可调范围宽(NiTi合金为一50}I000C,而Cu基合金则为一1001000C)的优点。但铜基合金(多晶态)的塑性不足，容易发生脆断，疲劳寿命也低。其主要原因是由于铜基合金晶体的弹性各向异性大。以Cu-A1-Ni合金为例，其弹性各向异性A=2Cl/(C,a-C孔)=13(式中，Cm,Cia及C石e为单晶体的弹性常数)，而NiTi合金晶体的A=2^}3,A值大，则晶体取向不同时的弹性应变差异就大。为了在晶界上保持连续性，在该处的应力集中现象就特别明显，如果晶粒也大时，则很容易产生沿晶界的破坏。为此，要采取各种措施(粉末冶金法、急冷凝固法以及添加微量元素等)使铜合金的晶粒细化(达到几微米至十几或儿十微米)。经过细化晶粒的铜合金，其断裂应力、疲劳寿命都有很大的改善。其次，为了改善铜基记忆合金在较高温度下使用的性能，在Cu-A}-Ni的基础上研制了Cu-12A1-5Ni-2Mn-1Ti的新型铜基记忆合金(其中Ti有细化晶粒作用)，它可在1000C以上的高温稳定地长期地工作。2.铁基形状记忆合金最近日本研制成功了Fe基形状记忆合金(Fe-Mn-Si合金)。一般，铁基合金的马氏休相变县非热弹性的。非可逆的原子位移不可能产生明显的记忆效应。但在Fe基合会中的Y(fcc)-sE(Yacp)马l羌体相变的晶格对应性好，不伴随大的体积变化。相变时可能产生可逆性的原子位移，一因而是具有记'C}r.}效应钓马氏体相变。但这种马氏体相变不是在冷却时发生，’而是在M。点以上施加应力下发生的，即应力诱发马氏体转变。在施加应力时使丫一。，加热时发生。~丫相变，回复原状。这就是铁基合金的记忆机制。Fe-IVIn-Si合金中的Mn在28^}32肠之间，Si在6肠左右。这种合金的记忆性是单向性的，形状回复力也比NiTi合金为小(约为29}.IvIFa，而NiTi合金约为588MPa)，形状回复温度也高(125℃以上)。但这种合金的制造容易，成本比NiTi合金为低，在高温下可以使用。、所以作为形状记忆结构材料是很有发展前途的。总之，形状记忆合金的性能在不断完善，合金的品种在不断增加，这类合金在新型工业技术中的应用潜力很大。在我国，形状记忆合金的应用还很有限，今后应引起人们的重视。四、形状记忆合金的应用迄今发现具有形状记忆效应的合金系已达二十余种，但其中已得到实际应用的还仅局限于Ti-Ni和C}ZnAl合金系(C}AlNi及Fe}VIn-Si系记忆合金也在开发应用中)。目前，形状记忆合金在电子、机械、能源、宇航、土木、汽车、医疗及日常生活等领域都得到了广泛应用[7,A]，表1列举了形状记忆合金的部分应用实例，下面择其典型应用加以概述。参考文献[1]E.Hornbogen,Metall,41,Heft5(1987)P.488}-493〔2]C.GarretsonD.Stockel,Metall,41,Heft1(1987)P.22-25【3]P.TautzenBerger,D.Stockel,1VIeta11,41,Heft1(1'987)P.26}-032〔4〕D.Stockel,Metall,41,Hefts(1987)P.494}-500[5〕田中良平，热处理，26卷1号(1986)P.9}15[6〕中西典彦，日本金属学会会报，I1卷b号(1972)P.435^}44i}[7〕杉本孝一，铁七钢，14号(1974)P.127}-143[8]C.M.Wayrnan，日本金属学会会报，19卷5号(1'986)P.323}332[9]铃木雄一，工亚材料，34卷11号(1987)P.2b}31[10〕田部井和彦，工业材料，34卷11号(I0987)P.32}-3b3[1l]松浦保，工业材料，34卷11号(1987)P.37}41、一冷CI27植木英吉，工业材料，34卷11号(1987)P.43}-04ff[I3〕松田昭一，工业材料，34卷11号(1X87)P.47N49[14]清水孝纯，工业材料，34卷11号(1987)P.49^0Sl[15〕高岛孝弘，工业材料，34卷11号(1987)P.52,^-54[16〕宫崎修一、大家和弘，金属，(1982)P.2}1G[17〕本间敏夫，金属，(1982)P.11}-17[18〕清水谦一、大家和弘，金属，(1982)P.13r-0l.F,仁19〕本间敏夫，金属，(1982)P.108}112[20}大家和弘等著，形状记忆合金，产业图书，(1984)