形狀記憶原理及應(yīng)用(已修改)
2025-05-29 04:20 本頁面
【正文】 形狀記憶合金的記憶效應(yīng)機理及應(yīng)用 李 周 形狀記憶合金（ shape memory alloy）作為一種新型功能材料已經(jīng)被廣泛使用。該合金可以認為是始于 1963年美國海軍武器試驗室（ Naval Ordianace Laboratory） 士的研究小組對 TiNi合金的研究。他們發(fā)現(xiàn) TiNi合金構(gòu)件因為溫度不同，敲擊時發(fā)出的聲音明顯不同，這說明該合金的聲阻尼性能和溫度相關(guān)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，等原子比 TiNi合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)。后來 TiNi合金作為商品進入市場，給等原子比的 TiNi合金商品取名為 NiTinol，后面的三個字母就是該研究室的 3個英文單詞的第一個字母。目前形狀記憶合金已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、汽車工業(yè)、電子、醫(yī)療、機械、建筑、服裝、玩具等各個領(lǐng)域。 形狀記憶材料主要包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物，其記憶機制各不相同。本章將對與熱彈性馬氏體相變有關(guān)的形狀記憶效應(yīng)做基礎(chǔ)性介紹。 一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，金屬就發(fā)生塑性變形，應(yīng)力消除后就留下永久變形。但是有些金屬材料，在發(fā)生了較大變形后（遠超過彈性變形極限），經(jīng)加熱到某一溫度之上，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（ Shape Memory Effect）[1]。如圖 。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬通常是兩種以上金屬元素組成的合金，這種金屬合金叫做形狀記憶合金（ Shape Memory Alloy）。形狀記憶效果一般以形狀回復(fù)率?來表示。設(shè)試樣在母相態(tài)時原始形狀長度為 l0，馬氏體態(tài)時經(jīng)形變?yōu)?l1，經(jīng)高溫逆相變后為 l2，則 ?(%)=(l1l2)/(l1l0)?100% 形狀記憶合金中的記憶效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的。通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相（ P），低溫相叫做馬氏體相（ M），從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變，或馬氏體相變，從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。 形狀記憶效應(yīng)的分類 形狀記憶效應(yīng)有三種形式。第一種稱為單向形狀記憶效應(yīng)，即將母相冷卻或加應(yīng)力，使之發(fā)生馬氏體相變，然后使馬氏體發(fā)生變形，改變其形狀，再重新加熱到馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶嗟拈_始溫度 As以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，溫度升至馬氏體向母相轉(zhuǎn)變終了溫度 Af，馬氏體完全消失，材料完全恢復(fù)母相形狀。一般沒有特殊說明，形狀記憶效應(yīng)都是指這種單向形狀記憶效應(yīng)。 有些形狀記憶合金在加熱發(fā)生馬氏體逆轉(zhuǎn)變時，對母相有記憶效應(yīng)；當從母相再次冷卻為馬氏體時，自覺回復(fù)原馬氏體的形狀，這種現(xiàn)象稱為雙向形狀記憶效應(yīng)，又稱可逆形狀記憶效應(yīng)。
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