形状记忆合金的特点及应用

什么是形状记忆合金？一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）。

1.形状记忆合金的发现

自20世纪50年代在Au-Cd合金和In-Ti合金中发现热弹性马氏体之后，1963年发现TiNi合金元件的声阻尼性能与温度有关。1961年，美国海军研究所的一个研究小组，花了不少精力将一批使用不便的乱如麻丝的镍钛（Ni-Ti）合金丝一根根地拉直，并在试验中发现，当温度升到一定值的时候，这些已被拉直的镍钛合金丝，突然“记忆”起自己原来的模样又回复到弯弯曲曲的状态，而且丝毫不差。经过反复试验，结果这一“变形-回复”的现象可重复进行。

进一步研究发现，近等原子比的TiNi合金具有良好的形状记忆效应。记忆合金较早的典型应用之一是1970年美国将TiNi记忆合金丝制成宇宙飞船天线。20世纪70年代先后在CuAlNi及CuZnAl等合金中发现了形状记忆效应。80年代开发出FeMnSi、不锈钢等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉，加工简便而引起材料工作者的兴趣。90年代高温形状记忆合金（金属间化合物型）、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等相继开发出来。

2.形状记忆合金的分类及性能

这类合金，包括Ni-Ti合金、Cu-Zn合金、Cu-Al-Ni合金以及Cu-Au-Zn合金等，它们在外力作用下改变形状以后，通过加热又能够回复原来的形状，这就是所谓的形状记忆合金，简称记忆合金。现在铁基合金以及不锈钢合金也有了记忆合金。

形状记忆合金的记忆效应可以分为三种：

（1）单程记忆效应 某些形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可回复变形前的形状，这种只在加热过程存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（2）双程记忆效应 某些合金加热时回复高温相形状，冷却时又能回复低温相形状，这种现象称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应 加热时回复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，这种现象称为全程记忆效应。

形状记忆合金材料的应用领域相当广泛，包括电子、机械、能源、宇航、医疗及日常生活等多方面。目前，具有形状记忆效应的合金系已达20多种，主要包括：Au-Cd合金、In-Ti合金、NiTiNb合金、铁基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、TiNi系合金（如TiNiFe、TiNiCu、TiNiV、TiNiCuR、TiNiPd）等，得到实际应用的集中在TiNi系合金与CuZnAl合金等。表8-3所列为一些常见形状记忆合金的成分和特点。TiNi形状记忆合金的物理性能、力学性能和形状记忆性能见表8-4～表8-6。(www.xing528.com)

表8-3 一些常见形状记忆合金的成分和特点

表8-4 TiNi形状记忆合金的物理性能

表8-5 TiNi形状记忆合金的力学性能

表8-6 TiNi合金的形状记忆性能

形状记忆合金除了具有形状记忆效应外，还有另一个特性，即超弹性。在应力作用下它的可回复应变为普通金属的几十倍。普通金属弹性应变量一般不超过0.5%，而具有超弹性的形状记忆合金可达5%～20%。形状记忆效应是由热弹性马氏体的逆转变产生的，而超弹性是由应力诱发的马氏体逆转变引起的。

热弹性马氏体相变是由温度变化引起的马氏体相变；应力诱发马氏体相变是在母相稳定的温度区内（T＞A_f）由应力变化引起的马氏体相变。当所加载荷超过了诱发马氏体相变的临界应力σ_m时，在变形的同时就诱发了马氏体的产生。当应力去除后，随着马氏体的逆转变，应变也消失了，形状回复到了母相原来的状态。超弹性形状回复的现象，本质上与形状记忆效应相同，都是马氏体的逆转变引起的，但这种马氏体是很不稳定的，一旦卸去载荷，相应的变形即可得到回复。