《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第12讲 4.6形状记忆合金

第12讲84.6形状记忆合金材料化学导论课程教案s4.6形状记忆合金【目的要求】通过本讲课程的学习，了解形状记忆合金的背景，掌握形状记忆合金的特征、形状记忆效应的机理，形状记忆合金的类别及其应用。本讲课的教学采用“三维立体”教学方法和启发式教学方式，在掌握好理论深度，强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用，提高学生的学习兴趣。【重点】形状记忆效应机理；形状记忆合金的应用。【难点】形状记忆效应机理。【本讲课程的内容】4.6.1形状记忆合金的出现1932年，瑞典人奥兰德在金-镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。在变形和温度变化过程中，合金似乎对初始形状有记忆性，故称这种特性为形状记忆效应，或“SME”（shapememoryeffect）。这种能“记忆”起自己受外力作用而变形前的形状，并能自动恢复的合金，称为形状记忆合金（SMA，shapememoryalloy）。4.6.2形状记忆合金的特征所谓形状记忆合金也就是材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种材料称为形状记忆合金4.6.3形状记忆效应机理形状记忆合金的记忆效应和其超弹性变化的微观机理如图4一2所示。由图可见，合金的母相为有序的奥氏体，其结构示意图（a）。当温度降低，原子发生位移相变，变为马氏体，其结构示意图（b）。形状记亿合金从高温母相奥氏体（a）在冷却至马氏相变温度（T）之后，转变成含有李晶的低温马氏体相晶体一一李晶马氏体（b），这种马氏体与钢中火的马氏体不一样，通常它比母相还软，称之为热弹性马氏体

§4.6 形状记忆合金 材料化学导论课程教案 第 12 讲 §4.6 形状记忆合金 【目的要求】通过本讲课程的学习，了解形状记忆合金的背景，掌握形状记忆合金的特征、 形状记忆效应的机理，形状记忆合金的类别及其应用。本讲课的教学采用“三维立体”教学 方法和启发式教学方式，在掌握好理论深度，强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学 生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学 有所用，提高学生的学习兴趣。 【重 点】形状记忆效应机理；形状记忆合金的应用。 【难 点】形状记忆效应机理。 【本讲课程的内容】 4.6.1 形状记忆合金的出现 1932 年，瑞典人奥兰德在金-镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之 后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种 特殊功能的合金称为形状记忆合金。 在变形和温度变化过程中，合金似乎对初始形状有记忆性，故称这种特性为形状记忆效 应，或“SME”（shape memory effect）。这种能“记忆”起自己受外力作用而变形前的形状， 并能自动恢复的合金，称为形状记忆合金（SMA，shape memory alloy）。 4.6.2 形状记忆合金的特征 所谓形状记忆合金也就是材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变 形后的形状，但当温度上升到某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的 形状保持记忆，这种材料称为形状记忆合金. 4.6.3 形状记忆效应机理 形状记忆合金的记忆效应和其超弹性变化的微观机理如图 4—2 所示。由图可见，合金的 母相为有序的奥氏体，其结构示意图(a)。当温度降低，原子发生位移相变，变为马氏体，其 结构示意图(b)。 形状记亿合金从高温母相奥氏体(a)在冷却至马氏相变温度(TMs)之后，转变成含有孪晶的 低温马氏体相晶体——孪晶马氏体(b)，这种马氏体与钢中淬火的马氏体不一样，通常它比母 相还软，称之为热弹性马氏体

材料化学导论课程教案第12讲84.6形状记忆合金在马氏体的温度区间中，受外力作用产生变形，成为变形马氏体，其结构示意图（c）。在这种状态下，受到外力作用时，适合于变形的李晶部分将不适合于变形的李晶部分侵蚀掉，成为一有利于取向的有序马氏体一一形变马氏体（c）。当将这种形变马氏体加热至逆转温度（TAs）以上（TA），晶体恢复到原来单一取向的奥氏体母相，即加热到一定的温度出现逆转变，即马氏体转变为奥氏体，晶体恢复到高温母相（a），其宏观形状也恢复到原来的状态。(a)加热冷却变形应变专去负荷寒形开(b)(c)图4-2形状记忆合金和超弹性变化的机理示意图（a）母相奥氏体（b）李品马氏体：（c）形变马氏体形状记忆合金应具备下面三个特点：（1）马氏体是热弹性类型：（2）马氏体的形变主要通过李晶取向改变产生：（3）母相通常是有序结构，具有形状记忆效应的合金，较高温度下稳定的母相多数是有序相。4.6.4形状记忆合金材料（1）镍基形状记忆合金Ni-Ti合金中Ni元素质量为55-56%。特点：TiNi合金性能优越，稳定型好，具有特殊的生物相容性，因而得到广泛的应用特别是在医学和生物上的应用。（2）铜基形状记忆合金特点：成本低，有较好的记忆性能，但稳定性差。CuAINi等铜基合金在反复使用中，较易出现试样断裂现象。其疲劳寿命比NiTi合金低2-3个数量级，其原因是由于铜基合金具有明显的各项异性，易造成应力集中。（3）铁基形状记忆合金特点：这类合金成本低廉、加工容易，但记忆特性稍差。4.6.5形状记忆合金的应用

§4.6 形状记忆合金 材料化学导论课程教案 第 12 讲 在马氏体的温度区间中，受外力作用产生变形，成为变形马氏体，其结构示意图(c)。在 这种状态下，受到外力作用时，适合于变形的孪晶部分将不适合于变形的孪晶部分侵蚀掉， 成为一有利于取向的有序马氏体——形变马氏体(c)。 当将这种形变马氏体加热至逆转温度(TAs)以上(TAf)，晶体恢复到原来单一取向的奥氏体 母相，即加热到一定的温度出现逆转变，即马氏体转变为奥氏体，晶体恢复到高温母相(a)， 其宏观形状也恢复到原来的状态。 形状记忆合金应具备下面三个特点： （1）马氏体是热弹性类型； （2）马氏体的形变主要通过孪晶取向改变产生； （3）母相通常是有序结构，具有形状记忆效应的合金，较高温度下稳定的母相多数是有 序相。 4.6.4 形状记忆合金材料 （1）镍基形状记忆合金 Ni－Ti 合金中 Ni 元素质量为 55-56％。 特点：TiNi 合金性能优越，稳定型好，具有特殊的生物相容性，因而得到广泛的应用， 特别是在医学和生物上的应用。 （2） 铜基形状记忆合金 特点：成本低，有较好的记忆性能，但稳定性差。CuAlNi 等铜基合金在反复使用中，较 易出现试样断裂现象。其疲劳寿命比 NiTi 合金低 2-3 个数量级，其原因是由于铜基合金具有 明显的各项异性，易造成应力集中。 （3）铁基形状记忆合金 特点：这类合金成本低廉、加工容易，但记忆特性稍差。 4.6.5 形状记忆合金的应用

第12 讲S4.6形状记忆合金材料化学导论课程教案（1）在军事和航天工业方面的应用用Ti一Ni形状记忆合金做成宇宙飞船的天线（大型月面天线），室温下由形状记忆合金制成占很大空间的大型抛物面形天线），如图4-3所示。在月面上安装后在阳光照射下可恢复到原来的抛物面形状。这样，有效地解决了体态庞大的天线运输问题。EEN加热加热交形用钛镍合金丝制成天线将天线操成团在加热时形状开始恢复形状完全恢复(温度>Tt)(温度<Tw)(温度<Tag)温度(T,温度<T）围4-3月面天线略图（2）在工程方面的应用形状记忆合金目前使用量最大的是用以制作管接口，如图4-4。L扣热新信（钢合金合播头烟鑫宾商器的原理（3）在医疗方面的应用（4）形状记忆式热发动机【本讲课程的小结】本讲课主要讨论了（1）形状记忆合金的出现；（2）形状记忆合金的特征：（3）形状记忆原理：（4）形状记忆合金材料：（5）形状记忆合金的应用。【本讲课程的作业】简述形状记忆合金的原理【本讲课程的思考题】

§4.6 形状记忆合金 材料化学导论课程教案 第 12 讲 （1）在军事和航天工业方面的应用 用 Ti—Ni 形状记忆合金做成宇宙飞船的天线（大型月面天线），室温下由形状记忆合金 制成占很大空间的大型抛物面形天线），如图 4-3 所示。在月面上安装后在阳光照射下可恢复 到原来的抛物面形状。这样，有效地解决了体态庞大的天线运输问题。 （2）在工程方面的应用 形状记忆合金目前使用量最大的是用以制作管接口，如图 4-4。 （3）在医疗方面的应用 （4）形状记忆式热发动机 【本讲课程的小结】 本讲课主要讨论了（1）形状记忆合金的出现；（2）形状记忆合金的特 征；（3）形状记忆原理；（4）形状记忆合金材料；（5）形状记忆合金的应用。 【本讲课程的作业】 简述形状记忆合金的原理 【本讲课程的思考题】