主要的几类记忆合金及性能

1第二节主要的几类记忆合金及性能一．Ti-Ni基形状记忆合金•Ti-Ni基合金是最早发展的记忆合金．•特点：–记忆效应优良–性能稳定–生物相容性好–但制造过程较复杂，价格昂贵．•Ti－Ni基记忆合金中的基本相和相变–Ti－Ni二元合金系中有三个金属间化合物：TiNi、Ti2Ni、TiNi3．Ti-Ni基记忆合金是基于TiNi金属间化合物的合金．–TiNi晶体结构：高温时：B2(CsCl结构)，为母相．–TiNi由高温冷却时发生马氏体相变，马氏体结构：单斜晶体．2Ti-Ni相图3–在适当的热处理或成分条件下，Ti-Ni合金还会形成R相．–R相结构：菱面体点阵–Ti-Ni合金冷却时，根据成分和预处理条件的不同，呈现两种不同的相变过程：•母相马氏体•母相R相(称R相变)马氏体–加热时：•马氏体R相母相–这些相变都是热弹性马氏体相变.按上述晶体学机制实现形状记忆效应．出现R相变时，Ti-Ni合金的记忆效应是由两个相变阶段贡献的．无R相变时，记忆效应是由母相马氏体的单一相变贡献的．–根据成分和热处理条件不同，Ti-Ni合金中有弥散的第二相析出：如Ti3Ni4、Ti2Ni3、TiNi3、Ti2Ni等，其中Ti3Ni4、Ti2Ni3是亚稳相．第二相的存在对Ti-Ni合金的记忆效应、力学性能有显著的影响．4图4-14Ti-50.5Ni合金的电阻温度曲线1273K固溶处理后673K时效1h①电阻为任意单位②含Ni为(Ni)50.5%5•合金元素对Ti-Ni合金相变的影响–加Cu：Cu置换Ni•形状记忆效应、力学性能仍很好，合金价格．•Ms，热滞–加Nb：纯Nb相弥散分布在TiNi基体．•热滞–加Fe：•出现R相变，相变过程明显分为两个阶段．•Ti-Ni记忆合金的力学性能–Ti-Ni记忆合金在一定温度下发生马氏体相变和应力诱发马氏体相变，因此，合金的变形是在马氏体相还是在母相进行，变形时是否发生应力诱发马氏体相变等因素对合金的应力－应变关系有很大影响.–按变形温度(Td)与相变点的关系，Ti-Ni合金的应力－应变曲线分为五种类型（如图4－16）：6•a)TdMf，变形前组织：完全马氏体．在应力作用下，马氏体变体发生再取向过程，产生变形．由于TdMf，卸载后马氏体取向、组织不变，应变被保持下来．•b)MfTdMs，变形前组织：部分马氏体＋部分母相．变形通过马氏体变体的再取向和应力诱发生成马氏体两种机制进行．由于TdMs，卸载后，不发生马氏体逆转变，或只有少量马氏体逆转变，应变被完全或大部分保持下来．•c)MsTdAf，变形前组织：完全母相．变形通过应力诱发生成马氏体进行．卸载时，马氏体部分逆转变母相，变形部分被消除．a)b)c)d)e)V(MdTd)IV(AfTdMd)7•d)AfTdMd，变形前组织:完全母相，变形通过应力诱发生成马氏体进行．卸载后，马氏体完全逆转变回母相，变形完全消失.•a）-d）中的应力-应变曲线是在将变形控制在马氏体再取向或应力诱发生成马氏体所能贡献出的最大应变以内的条件下得到的。•e)TdMd,不发生应力诱发马氏体相变，在应力作用下,母相产生塑性变形.–记忆合金的记忆变形是可逆的，但记忆合金会发生疲劳破坏：由于有第二相或夹杂以及晶粒取向不同等因素，记忆合金变形总有不协同性，在晶界和相界上产生应力集中，导致裂纹形成和断裂．–总体上Ti-Ni合金具有良好的抗疲劳性能，是所有记忆合金中抗疲劳性能最好的材料．二．Cu基形状记忆合金•主要两种Cu基形状记忆合金：–Cu-Zn-Al基–Cu-Al-Ni基8•特点：–形状记忆效应好，价格便宜，易于加工制造等．–但与Ti-Ni记忆合金相比：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性．•Cu基记忆合金中的基本相：–Cu-Zn-Al合金：•母相－′相：B2(CsCl结构)或DO3(Fe3Al结构)，属立方晶系•马氏体：9R、18R、2H等不同的结构．–Cu-Al-Ni合金：母相与马氏体的晶体结构与Cu-Zn-Al基本类似．•Cu基记忆合金中的稳定性：–相变点对合金成分十分敏感．–存在较严重的马氏体稳定化现象：淬火后合金的相变点会随着放置时间的延长增加直至达到一稳定值．–热－力循环对合金的记忆效应影响显著．随热－力循环的进行，Ms、As、Af等上升，相变热滞显著增大．9•Cu基记忆合金成分范围在β相区内.•当将β相区成分的合金从高温淬火冷却，β相发生有序化相变转变为亚稳的有序β′相.•进一步冷却时β′相发生热弹性马氏体相变，故β’相是母相.10•Cu基记忆合金的力学性能：–Cu基记忆合金的力学性能较差．主要因为弹性各向异性常数很大、晶粒粗大，变形时很容易产生应力集中，导致晶界开裂．–提高Cu基记忆合金塑性和疲劳寿命的方法：•制备单晶或形成定向织构；•细化晶粒：添加合金元素、控制再结晶、快速凝固、粉末冶金等．三．Fe基形状记忆合金•Fe基形状记忆合金分为两类：–基于热弹性马氏体相变–基于非热弹性可逆马氏体相变•特点：强度高、易于加工成形．•具备形状记忆功能的铁基合金需满足：1)母相具有高的屈服点或低的弹性极限；2)马氏体相变引起的体积变化和切变应变较小；3)马氏体的正方度(c／a)大，有利于形成孪晶亚结构；4)Ms较低，有利于形成孪晶亚结构并提高母相的屈服点.11–从马氏体的形态方面考察，当达到上述要求时，铁基合金中的马氏体一般呈薄片状.通过适当的合金化，在铁基合金可实现热弹性或非热弹性可逆马氏体相变，进而发展出基于这两种相变的铁基形状记忆合金.•基于热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金：–Fe-Pt：(约w(Pt)25％)、Fe-Pd：(约w(Pd)30％)，昂贵未能应用．–Fe-Ni-Co-Ti合金：Fe-w(Ni)33％-w(Co)10％-w(Ti)4％，价格偏高，Ms太低(约200K)，应用受限．•基于非热弹性可逆马氏体相变的铁基形状记忆合金–在Fe-Mn-Si合金中，应力诱发形成的薄片状-马氏体（相变时体积变化小），在加热时能够逆转变为奥氏体．–在Ms以上施加应力时，-马氏体在与相变应变相适应的应力方向形成并使合金产生宏观变形．加热到Af以上-马氏体逆转变回奥氏体，变形随之消失，实现形状记忆.–Fe-w(Mn)(28-33)％-w(Si)(5-6)％合金:有较好的记忆效应，Ms点在室温附近.–Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金:有较好的记忆效应，回复变形高达4％，Ms:173-323K，耐蚀性很好.12四．记忆合金的应用•应用领域：温度继电器、玩具、机械、电子、自动控制、机器人、医疗热机等１）用记忆合金作铆钉13２）用记忆合金作管接头•在Af以上记忆合金管接头的内径比管子的外径略小.在Mf以下,对管接头进行扩径,并将管子插入被扩径的接头中.随将之加热到Af以上,管接头的内径恢复原来的尺寸，从而将管子紧紧的箍住，完成管子的连接.3)Ti-Ni状记忆合金大量用于医疗领域:用作心血管支架、牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤夹、接骨板等.TMfTAf