智能材料與結(jié)構(gòu)ppt課件(編輯修改稿)
2025-06-08 12:11 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 以及人造衛(wèi)星、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。近年來在陶瓷材料、超導(dǎo)材料以及高分子材料中發(fā)現(xiàn)各具特色的形狀記憶效應(yīng)，引起了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。 37形狀記憶合金 ? 形狀記憶合金是研究最早的一種材料，它的操作功能主要分為 5個(gè)方面。? （ 1）單程記憶效應(yīng)：在低于 Mf溫度之下時(shí)，加壓力樣品變形，去掉壓力時(shí)不能完全恢復(fù)，當(dāng)加熱到 Af之上時(shí)殘存的形變才能恢復(fù)。? （ 2）雙程記憶合金效應(yīng)，當(dāng)溫度冷卻到 Mf之下時(shí)自發(fā)的形變產(chǎn)生，當(dāng)溫度再升到 Af之上時(shí)形變恢復(fù)。 38? （ 3）形變恢復(fù)應(yīng)力，在 Mf溫度下樣品受壓變形，去掉壓力，保持在位置上再加熱，這時(shí)恢復(fù)應(yīng)力產(chǎn)生。? （ 4）做功狀態(tài)，在 Mf溫度之下樣品受壓變形，卸掉壓力，再加上重量 W， 將樣品加熱到 Af之上，形變應(yīng)力產(chǎn)生并且做功，稱為功輸出。? （ 5）超彈性或偽彈性效應(yīng)，在 Af溫度之上時(shí)，加較大壓力時(shí)樣品變形從 A到 B， 當(dāng)壓力卸載后樣品的形變又完全恢復(fù)。 39? 形狀記憶合金這些特有的功能與外界溫度和內(nèi)部的馬氏體相應(yīng)密切相關(guān)。例如從高溫到低溫的滯回線，應(yīng)力 — 溫度的關(guān)系，應(yīng)力 — 壓力的關(guān)系，以及應(yīng)力 —壓力 — 溫度三者之間的關(guān)系。 40? 目前雖然有許多形狀記憶合金體系，但能夠商品化的只有少數(shù)幾個(gè)，如 Ni—Ti、 Ni—Ti—Cu 、 Cu—Zn—Al 合金體系，接近商品化的 Cu—Al—Ni 和 Fe— Mn— Si合金體系，而具有潛在應(yīng)用的體系有 Ni—Al 和 Ni—Ti— Zi合金體系，目前在制備或性能上還有一些缺陷。在所有形狀記憶合金體系中 Ni—Ti 合金是最具有使用價(jià)值的，有人做過數(shù)百萬次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其恢復(fù)性能仍然保持。 411． TiNi形狀記憶合金 ? 等原子比的 TiNi合金是應(yīng)用的最早的形狀記憶合金，其中 Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55～ 56％。根據(jù)使用目的不同可選用適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞帧Ｋ阅軆?yōu)越，穩(wěn)定性好，具有特殊的生物相容性，因而得到廣泛的應(yīng)用 ,特別在醫(yī)學(xué)與生物上的應(yīng)用是其他形狀記憶合金所不能替代的。由于合金成分不同，相變可以有不同路徑。 42? 在材料使用過程中，表征材料記憶性能的主要參數(shù)包括記憶合金隨溫度變化所表現(xiàn)出的形狀恢復(fù)程度，回復(fù)應(yīng)力，使用中的疲勞壽命，即經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應(yīng)力循環(huán)后記憶特性的衰減情況。此外 ,相變溫度及正逆相變的溫度滯后更是關(guān)鍵參數(shù)。而上述這些特性又與合金的成分成材工藝熱處理 (包括冷熱加工 )條件及其使用情況等密切有關(guān)。 43? TiNi記憶合金的相變溫度對成分最敏感。 Ni含量每增加 %，相變溫度會降低10?C。 第三元素對 TiNi合金相變溫度的影響也極為引人注目。 Fe、 Co等過渡族金屬的加入均可引起 Ms下降。其中 Ni被Te置換后，擴(kuò)大了 R相穩(wěn)定的溫度范圍，使 R相變更為明顯。用 Cu置換 Ni后，Ms變化不太大，但形狀記憶效應(yīng)卻十分顯著，因而可以節(jié)約合金成本。并且由于減少相變滯后，使該類合金具有一定的使用價(jià)值。 44? 為獲得記憶效應(yīng) ,一般將加工后的合金材料在室溫加工成所需要的形狀并加以固定，隨后在 400173。500之間加熱保溫?cái)?shù)分鐘到數(shù)小時(shí) (定形處理 )后空冷，就可獲得較好的綜合性能。? 對于冷加工后成形困難的材料，可以在 800以上進(jìn)行高溫退火，這樣在室溫極容易成形，隨后于 200173。300保溫使之定形 .此種在較低溫度處理的記憶元件及形狀回復(fù)特性較差。 45? 富 Ni的 TiNi合金需要進(jìn)行時(shí)效處理 ,一則為了調(diào)節(jié)材料的相變溫度 ,二則可以獲得綜合的記憶性能 .處理工藝基本上是在800173。1000固熔處理后淬入冰水 ,再經(jīng) 400173。500時(shí)效處理若干時(shí)間 (通常為 5001小時(shí)).隨著時(shí)效溫度的提高或時(shí)效時(shí)間的延長 ,相變溫度 Ms相應(yīng)下降 .此時(shí)的時(shí)效處理就是定型記憶過程。 46? 為了使合金式樣反復(fù)多次的在升溫和降溫中可逆的發(fā)生形狀變化 (即雙向記憶 ),最常用的方法是進(jìn)行記憶訓(xùn)練 (又稱鍛煉)。首先如同單向記憶處理那樣獲得記憶效應(yīng) ,但此時(shí)僅可記憶高溫相的形狀。隨后在低于 Ms溫度 ,根據(jù)所需的形狀將試件進(jìn)行一定限度的可以回復(fù)的形狀。 47? 加熱到 Af以上溫度 ,試件回復(fù)到高溫態(tài)形狀后 ,降溫到 Ms以下 ,再變形試件使之成為前述的低溫所需形狀 ,如此反復(fù)多次后,就可獲得雙向記憶效應(yīng) ,在溫度升降過程中 ,試件均可自動(dòng)的反復(fù)記憶高低溫時(shí)的二種形狀。這種記憶訓(xùn)練實(shí)際上就是強(qiáng)制變形。 48? 對于 Ti173。51%(原子分?jǐn)?shù) )Ni合金不僅具有雙向記憶性能 ,而且在高溫與低溫時(shí) ,記憶的形狀恰好是完全逆轉(zhuǎn)的。這是由于與基體共格的 Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應(yīng)力所致。49? 無論上述何種記憶處理 ,為了保持良好的形狀記憶特性 ,其變形的應(yīng)變量不得超過一定值 ,該值與元件的形狀、尺寸、熱處理?xiàng)l件、循環(huán)使用次數(shù)等有關(guān) ,一般為 6％ (不包括全方位記憶處理 ).同時(shí)在使用中 ,在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下 ,要避免過熱 ,也即記憶高溫態(tài)的溫度只需稍高于 Af溫度即可。 502.銅基形狀記憶合金 ? 盡管形狀記憶合金具有強(qiáng)度高、塑性大、耐腐蝕性好等優(yōu)良性能 ,但由于成本約為銅基記憶合金的十倍而使之應(yīng)用受到一定限制。因而近二十年來銅基形狀記憶合金的應(yīng)用較為活躍 ,但需要解決的主要問題是提高材料塑性改善對熱循環(huán)和反復(fù)變形的穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度等。 51? 銅基形狀記憶合金的相變溫度對合金成分和處理?xiàng)l件極敏感。例如 Cu173。173。 1000固熔后分別淬入溫度為10與 100介質(zhì)中 ,其合金的 Ms對應(yīng)為 173。11與60。因此實(shí)際應(yīng)用中 ,可以利用淬火速度來控制相變溫度。 52? 無論是 CuZnAl還是 CuAlNi合金 ,相變溫度對 Al含量都很敏感。? CuAlNi等銅基合金在反復(fù)使用中，較易出現(xiàn)試樣斷裂現(xiàn)象，其疲勞壽命比 NiTi合金低 2173。3個(gè)數(shù)量級。 53? 其原因是銅基合金具有明顯的各相異性。在晶體取向發(fā)生變化的晶界面上，為了保持應(yīng)變的連續(xù)性，必會產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且晶粒越粗大，晶面上的位移更大，極易造成沿晶開裂。目前在生產(chǎn)中，已通過添加 Ti、 Zr、 V、 B等微量元素，或者采用急冷凝固法或粉末燒結(jié)等方法使合金晶粒細(xì)化，達(dá)到改善合金性能的目的。 543.鐵
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