形状记忆效应与超弹性分析

形状记忆效应与超弹性分析

韩琪王立涛

韩琪HANQi曰王立涛WANGLi-tao（北京理工大学珠海学院，珠海519000）（BeijingInstituteofTechnology，Zhuhai，Zhuhai519000，China）

Abstract:Thispaperhasmainlydescribedtheprincipleanalysisofshapememoryeffectofshapememoryalloysandsuper-elasticity.关键词院形状记忆合金；形状记忆效应；超弹性Keywords:shapememoryalloy；shapememoryeffect；super-elasticity中图分类号院TG139+.6文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）06-0310-020

引言形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简称SMA）是一种具有形状记忆效应和超弹性的金属材料。一般的金属材料形变超过弹性极限时，将产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固相状态下加热时，这种变形不能完全恢复。

但形状记忆合金具有形状记忆效应（ShapeMemoryEffect，简称SME），所谓形状记忆效应，是指某种材料在较低的温度下或增加应力时经受塑性变形，当升高温度或减少应力时，能够恢复原来形状的一种现象[1]。由于形状记忆合金是一种“有生命的合金”，利用它在一定温度下形状的变化，可以设计出形形色色的自控器件，它的用途也在不断扩大。自20世纪60年代在镍钛合金中发现形状记忆效应以来，经过40多年的研究和开发，目前已经发现的SMA有30余种，可分为三个大类[2]：NiTi基合金、Cu基合金和Fe基合金。

1形状记忆效应形状记忆效应与热弹性马氏体相变和逆相变密切相关。如图1为热弹性马氏体相变的温度曲线，其中Ms、Mf分别为马氏体转变的开始温度和终了温度，As、Af分别为马氏体逆转变的开始温度和终了温度。参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氏体相[3]。

形状记忆效应过程示意图如图2所示。当一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，母相完全转化成马氏体，然后在Mf点对其进行一定程度的变形，卸去载荷，变形被保留下来了。把变形了的试样加热到As点以上，马氏体就会逐渐变到母相。温度超过逆转变终点Af时，马氏体全部转回到母相，此时试样就自动回复其在母相时的形状[4]。

具备形状记忆效应的合金一般有如下三个特征：合金能够发生热弹性马氏体相变；母相和马氏体的晶体结构通常是有k序的；母相的晶体结构具有较高的对称性，而马氏体的晶体结构具有较低的对称性。产生形状记忆的机理是源于材料的热弹性马氏体转变[5-6]。马氏体相变是无扩散型晶格相变，也是由于剪切位移而改变晶体结构的相变。

在低于马氏体相变点Ms温度下，随着冷却马氏体长大，系统的热化学自由能减少，同时由于相变时产生的原子剪切位移，使系统产生的弹性非化学自由能增大。当系统热化学自由能与弹性非化学自由能两者之差达到最小值时，马氏体长大才告停止。这样，在相变过程中，冷却时马氏体长大，加热时马氏体缩小。长大和缩小受热效应与弹性效应两因素平衡条件的制约。可通过温度改变或外加作用力破坏平衡，马氏体才开始长大或缩小。这种马氏体相变称为“热弹性马氏体相变”。

由于Ni-Ti合金马氏体变体间的共格界面和自协作特性，马氏体的变形过程是通过孪晶界面运动来实现的。

当冷却至Mf温度以下，由于立方晶系母相的高对称性，马氏体以自适应方式形成，其3个变体形成三角形自适应形态。由于各个变体的形状变化相互抵消，其宏观平均形状应变几乎为零。加热时，在As点开始发生马氏体的逆转变，由于菱形结构马氏体点阵的低对称性和原子有序的限制，不会出现多个等效母相变体，马氏体和母相之间具有特定的对应关系，只有特定取向的母相晶核才能不断长大，至Af温度时马氏体基本消失，经逆转变得到的母相在晶体学上完全恢复到原始的母相状态，同时形状应变也得到完全恢复，从而产生了单程形状记忆效2超弹性形状记忆合金在较高的温度下（T>Af）具有另外一种重要性能———超弹性。如图3所示，加载时，随着载荷的增加，奥氏体首先发生弹性变形，当应力增加至一临界应力水平，即相变应力时，应力诱发马氏体相变开始，当应力继续增加时，马氏体相变也继续进行，并产生大的非弹性应变。卸载时，随着应力的减小，马氏体发生逆相变，转变为奥氏体，永久变形消失。如前所述，冷却形成马氏体时，马氏体变体按自适应的方式形成，以达到总的应变能最低的状态，同时也保持了宏观形状不变。但当马氏体在外力的作用下形成时，相变应变方向与外力一致的变体形成所需能量最低。因此，改变体在应力作用下优先形核并长大，最终导致形成单一变体的马氏体，并沿外力方向产生变形。

卸除外力，合金的相变点回复到应力为零时的相变点。由于此时合金的Af点低于环境温度，马氏体逆转变回母相。

样品的变形随之消失，显示出超弹性。

参考文献院[1]张常青,王文萍.形状记忆合金及其在工程上的应用[J].机械，1995，20(3)：44-46.[2]李冰.形状记忆合金材料的发展动向[J].金属世界，2005(02)：49-51.[3]吴根华.形状记忆合金及其应用[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2004,04:20-23.[4]杨大智,吴明雄.Ni-Ti形状记忆合金在生物医学领域的应用[M].第一版.冶金出版社,2003:10-18.[5]杨凯.形状记忆合金的研究与应用[J].金属功能材料,2000,5:7-12.[6]赵连城,蔡伟,郑玉峰.合金的形状记忆合金效应与超弹性[M].国防工业出版社,第一版,2002:5-18.