河 南 农 业 大 学 机 电 工 程 学 院
《非金属材料》课程论文
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论文：形状记忆合金
摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发 现以及发展历史, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景
【关键词】：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用前景。
正文：记忆金属又叫形状记忆合金。上个世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，我们把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条向前冲去；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里，拉长一个弹簧，把弹簧放入热水中时，弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状，而在热水中，则会收缩，弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩，收缩再拉开。这些都由一种有记忆力的智能金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。这种材料就叫做记忆金属（memory metal）。它主要是镍钛合金材料。例如，一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处于螺旋状态。在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但只要把它加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺旋形态。这种现象我们对应的称之为“形状记忆” 形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体
相变。形状记忆合金中具有两种相：高温相奥氏体相，低温相马氏体相。根据不同的热力载荷条件，形状记忆合金呈现出两种性能。形状记忆效应（shape memory effect）我们又可以分为两种：单程记忆效应和双程记忆效应以及全程记忆效应。
其中：单程记忆效应。形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。全程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
目前已经应用很成熟的合金有Ti-NI基形记忆合金 铜基.铁基形状记忆合金，另外发现较早的形状记忆合金为Au-Cd.In-Ti等合金系，此外还有发现的一些合金Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn等。
形状合金记忆机理：形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度
T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。
在马氏体中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。
马氏体相变与形状记忆：马氏体相变的过程的晶体结构变化与形状记忆有一个变化的过程，试样从母相淬火至低温得到孪生马氏体，在外力作用下，马氏体的变形是通过有利取向长大 不利取向缩小而实现的，最后得到变形马氏体。变形马氏体加热到一定程度以上变形为母相，恢复母相的形状。
我们就以应用最广泛的钛镍合金的加工制造过程加以分析：Ti-Ni合金的制备
1铸造
Ti-Ni合金是高温延展性良好的材料。当温度超过400℃后．拉伸强度下降，与此相反，延伸率迅速增加。可见．如果温度范围定得合理．Ti-Ni合金无论锤锻、压力机上锻造或径向锻造都是比较容易进行的。实践表明锻造温度不宜高于900℃．否则合金表面将剧烈氧化而产生Ti-Ni—Ti4Nb2低熔点混合物相。过是间隙氧污染物质，具有脆化合金的作用。另一
方面温度分布不宜低于750℃，否则材料的变形抗力增大．缺口敏感性突出，常易造成撕裂性质的破坏．使废品率增加。因此，锻造温度范围为750～900℃。铸锭锻造前需经850℃、l2h均匀退火．然后．机加工去表面氧化皮和冒口，再锻成棒料。
2热挤压
从Ti-Ni的高温拉伸性能来看．Ti-Ni合金适宜挤压。但不能进行冷挤压。Rozner在0.7Tm(Tm为金属的熔点)温度成功的进行了Ti-Ni的热挤压。铸锭经机加工后用碳钢包套．然后在900℃挤压．挤压比为4：1～16：1．挤压后坯料在600℃退火1h．然后炉冷．
3轧制和拉拔
棒料轧制一般可在普通多机座连续轧机上进行一孔型设计按常规由平椭圆、椭圆和圆组成。起轧温度820士20℃。根据成品的尺寸要求．应旨理地将整个轧制过程分解为一定数量的道次。轧制道次如下：Φ43mm一Φ25ram 7道次．Φ25mm一Φ15ram 5道次．Φ25mm一Φ8．5ram 9道次。轧制板材的设备最好带有预应力装置。板材轧制温度应略高于棒材，但不高于900℃，否则氧化皮增加影响材质。坯料厚度从30mm轧至2．8～3．2m
m采用9道次。轧制带材的方法不同于棒材和板材．最好温轧。轧制时前后应有一定的张力。用通电的方法使材料保持温度(500～600℃)．以免出现加工硬化．每一遭次压下量应控制在0.2～0．3mm左右。Ti-Ni合金在70℃以上存在异常大的速度加工硬化。冷加工必须正确掌握变形率和中间退火。冷轧的道次变形率应小于2％，冷拔为10%，每道的中间退火温度宜采用650～700℃。经研究表明：清除Ti-Ni合金加工硬化以650士20℃为佳。Ti-Ni合金丝的冷拔工艺为：中间退火温度为750℃，退火时间15min，润滑剂用肥皂．拔丝速度小于6m/min．第一道次冷拔量15％～20%．其后的道次冷拔量为10%左右。2次退火间总冷拔量为40％～45％。
4冷加工
Ti-Ni合金的布氏硬度虽然只有90上下，但切削性能很差．特别是钻孔时，如用高速钢刀具．剧寿命更短，所以一般使用硬质合金(如碳化钨)刀具。切削速度应适中．过快或过慢都不好。磨削加工以采用碳化硅系列的砂轮为佳， 5粉末成形
Ti-Ni记忆合金的机加工性能较差，近年来人们开始研究采用免除或减步加工工序的粉末情金方法和精铸方法来制造记忆合金零件。目前大致有2种粉末成形的方法：
(1)用预制的Ni一Ti合金粉末经过2次热等静压扩散烧结．主要用于制备拉丝的优质毛坯。
(2) 直接用Ni和Ti粉作原料经过一次烧结和热等静压处理。
试样制备工艺是：将350目Ti粉和还原的羰基Ni粉50％(原子数分数)的比例混合，置于石墨模中在热压机上烧结。再经过包套轧制和高压等静压处理后．进行均匀化处理。试样密度是理想材料的95％～97％．但回复率只有熔炼材料的70%左右。目前，Ti-Ni合金的粉末成形还存在一些问题。由于粉末中有杂质和氧含量．加上制备过程中由于石墨模引起的碳和其它元素侵入等问题，都使粉末成形值得更深入研究。
应用前景：
（1）工程应用
形状记忆材料在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。 60年代初Ti-Ni合金首次被用于海军飞机液压系统的接头，并取得了成功。 形状记忆合金做紧固件、连接件较其他材料有许多优势。（1）夹紧力大，接触密封卡了、可靠，避免了由于
焊接而产生的冶金缺陷；（2）适于不焊接的接头;(3）金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；（4）安装时不需要熟练的技术。把形状记忆合金制成的弹簧与普通安装在一起可以制成自控元件。
1973年美国试制成第一台Ti-Ni热机，利用形状记忆合金在高温，低温时发生的相变，产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能和热能的相互转换。
2）医学应用
医学上使用形状记忆合金主要是Ti-Ni合金，这种材料对生物体有较好的相容性，可以埋入人体作为移植材料。在生物体内部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板，由于体内温度是Ti-Ni合金发生相变，形状改变，不但没能将两段骨固定住，而且能在相变过程中产生压力，迫使断骨很快愈合。另外，假肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板，都是利用形状记忆合金的实例。
在内科方面，可将细的Ti-Ni丝插入血管，由于体温使其恢复到母相的网状，阻止95%的凝血块不流向心脏。用记忆合金制造的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动，制造人工心脏。
