記憶合金論文

1、河 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 工 程 學(xué) 院非金屬材料課程論文 題目：形狀記憶合金姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 論文方向： 任課教師： 論文：形狀記憶合金摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地?cái)⑹隽诵螤钣洃浐辖鸬陌l(fā) 現(xiàn)以及發(fā)展歷史, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景【關(guān)鍵詞】：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應(yīng)、應(yīng)用前景。正文：記憶金屬又叫形狀記憶合金。上個(gè)世紀(jì)70年代，世界材料科學(xué)中出現(xiàn)了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進(jìn)盛著熱水的玻璃缸內(nèi)，金屬條向前沖去；將它放入冷水里，金屬條則恢復(fù)了原狀。在盛著涼

2、水的玻璃缸里，拉長(zhǎng)一個(gè)彈簧，把彈簧放入熱水中時(shí)，彈簧又自動(dòng)的收攏了。涼水中彈簧恢復(fù)了它的原狀，而在熱水中，則會(huì)收縮，彈簧可以無(wú)限次數(shù)的被拉伸和收縮，收縮再拉開(kāi)。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結(jié)構(gòu)有兩種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對(duì)它重新加熱，它會(huì)記起它原來(lái)的形狀，而變回去。這種材料就叫做記憶金屬（memory metal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高溫合金，經(jīng)過(guò)高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下，即使用很大力氣把它強(qiáng)行拉直，但只要把它加熱到一定的“變態(tài)溫度”時(shí)，這根合金仿佛記起了什么似的，立

3、即恢復(fù)到它原來(lái)的螺旋形態(tài)。這種現(xiàn)象我們對(duì)應(yīng)的稱(chēng)之為“形狀記憶” 形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^(guò)程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據(jù)不同的熱力載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能。形狀記憶效應(yīng)（shape memory effect）我們又可以分為兩種：?jiǎn)纬逃洃浶?yīng)和雙程記憶效應(yīng)以及全程記憶效應(yīng)。其中：?jiǎn)纬逃洃浶?yīng)。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過(guò)程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱(chēng)為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)。某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱(chēng)為雙程記憶效應(yīng)。全程

4、記憶效應(yīng)。加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱(chēng)為全程記憶效應(yīng)。目前已經(jīng)應(yīng)用很成熟的合金有Ti-NI基形記憶合金 銅基.鐵基形狀記憶合金，另外發(fā)現(xiàn)較早的形狀記憶合金為Au-Cd.In-Ti等合金系，此外還有發(fā)現(xiàn)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。形狀合金記憶機(jī)理：形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會(huì)隨著溫度下降而繼續(xù)生長(zhǎng)，如果溫度上升它又會(huì)減少，以完全相反的過(guò)程消失。兩項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動(dòng)力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0

5、稱(chēng)為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)發(fā)生逆相變。在馬氏體中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。馬氏體相變與形狀記憶：馬氏體相變的過(guò)程的晶體結(jié)構(gòu)變化與形狀記憶有一個(gè)變化的過(guò)程，試樣從母相淬火至低溫得到孿生馬氏體，在外力作用下，馬氏體的變形是通過(guò)有利取向長(zhǎng)大 不利取向縮小而實(shí)現(xiàn)的，最后得到變形馬氏體。變形馬氏體加熱到一定程度以上變形為母相，恢復(fù)母相的形狀。我們就以應(yīng)用最廣泛的鈦鎳合金的加工制造過(guò)程加以分析：Ti-Ni合金的制備  

6、;1鑄造  Ti-Ni合金是高溫延展性良好的材料。當(dāng)溫度超過(guò)400后拉伸強(qiáng)度下降，與此相反，延伸率迅速增加。可見(jiàn)如果溫度范圍定得合理Ti-Ni合金無(wú)論錘鍛、壓力機(jī)上鍛造或徑向鍛造都是比較容易進(jìn)行的。實(shí)踐表明鍛造溫度不宜高于900否則合金表面將劇烈氧化而產(chǎn)生Ti-NiTi4Nb2低熔點(diǎn)混合物相。過(guò)是間隙氧污染物質(zhì)，具有脆化合金的作用。另一方面溫度分布不宜低于750，否則材料的變形抗力增大缺口敏感性突出，常易造成撕裂性質(zhì)的破壞使廢品率增加。因此，鍛造溫度范圍為750900。鑄錠鍛造前需經(jīng)850、l2h均勻退火然后機(jī)加工去表面氧化皮和冒口，再鍛成棒料。2熱擠壓 從Ti-

7、Ni的高溫拉伸性能來(lái)看Ti-Ni合金適宜擠壓。但不能進(jìn)行冷擠壓。Rozner在0.7Tm(Tm為金屬的熔點(diǎn))溫度成功的進(jìn)行了Ti-Ni的熱擠壓。鑄錠經(jīng)機(jī)加工后用碳鋼包套然后在900擠壓擠壓比為4：116：1擠壓后坯料在600退火1h然后爐冷 3軋制和拉拔 棒料軋制一般可在普通多機(jī)座連續(xù)軋機(jī)上進(jìn)行一孔型設(shè)計(jì)按常規(guī)由平橢圓、橢圓和圓組成。起軋溫度820士20。根據(jù)成品的尺寸要求應(yīng)旨理地將整個(gè)軋制過(guò)程分解為一定數(shù)量的道次。軋制道次如下：43mm一25ram 7道次25mm一15ram 5道次25mm一85ram 9道次。軋制板材的設(shè)備最好帶有預(yù)應(yīng)力裝

8、置。板材軋制溫度應(yīng)略高于棒材，但不高于900，否則氧化皮增加影響材質(zhì)。坯料厚度從30mm軋至2832mm采用9道次。軋制帶材的方法不同于棒材和板材最好溫軋。軋制時(shí)前后應(yīng)有一定的張力。用通電的方法使材料保持溫度(500600)以免出現(xiàn)加工硬化每一遭次壓下量應(yīng)控制在0.203mm左右。Ti-Ni合金在70以上存在異常大的速度加工硬化。冷加工必須正確掌握變形率和中間退火。冷軋的道次變形率應(yīng)小于2，冷拔為10%，每道的中間退火溫度宜采用650700。經(jīng)研究表明：清除Ti-Ni合金加工硬化以650士20為佳。Ti-Ni合金絲的冷拔工藝為：中間退火溫度為750，退火時(shí)間15min，潤(rùn)滑劑用肥皂拔絲速度小于

9、6m/min第一道次冷拔量1520%其后的道次冷拔量為10%左右。2次退火間總冷拔量為4045。 4冷加工 Ti-Ni合金的布氏硬度雖然只有90上下，但切削性能很差特別是鉆孔時(shí)，如用高速鋼刀具劇壽命更短，所以一般使用硬質(zhì)合金(如碳化鎢)刀具。切削速度應(yīng)適中過(guò)快或過(guò)慢都不好。磨削加工以采用碳化硅系列的砂輪為佳， 5粉末成形  Ti-Ni記憶合金的機(jī)加工性能較差，近年來(lái)人們開(kāi)始研究采用免除或減步加工工序的粉末情金方法和精鑄方法來(lái)制造記憶合金零件。目前大致有2種粉末成形的方法： (1)用預(yù)制的Ni一Ti合金粉末經(jīng)過(guò)2次熱等靜壓擴(kuò)散燒結(jié)主要用

10、于制備拉絲的優(yōu)質(zhì)毛坯。 (2) 直接用Ni和Ti粉作原料經(jīng)過(guò)一次燒結(jié)和熱等靜壓處理。 試樣制備工藝是：將350目Ti粉和還原的羰基Ni粉50(原子數(shù)分?jǐn)?shù))的比例混合，置于石墨模中在熱壓機(jī)上燒結(jié)。再經(jīng)過(guò)包套軋制和高壓等靜壓處理后進(jìn)行均勻化處理。試樣密度是理想材料的9597但回復(fù)率只有熔煉材料的70%左右。目前，Ti-Ni合金的粉末成形還存在一些問(wèn)題。由于粉末中有雜質(zhì)和氧含量加上制備過(guò)程中由于石墨模引起的碳和其它元素侵入等問(wèn)題，都使粉末成形值得更深入研究。應(yīng)用前景：（1）工程應(yīng)用 形狀記憶材料在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、

11、密封墊等。另外，也可用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動(dòng)控制。   60年代初Ti-Ni合金首次被用于海軍飛機(jī)液壓系統(tǒng)的接頭，并取得了成功。   形狀記憶合金做緊固件、連接件較其他材料有許多優(yōu)勢(shì)。（1）夾緊力大，接觸密封卡了、可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；（2）適于不焊接的接頭;(3）金屬與塑料等不同材料可以通過(guò)這種連接件連成一體；（4）安裝時(shí)不需要熟練的技術(shù)。把形狀記憶合金制成的彈簧與普通安裝在一起可以制成自控元件。 1973年美國(guó)試制成第一臺(tái)Ti-Ni熱機(jī)，利用形狀記憶合金在高溫，低溫時(shí)發(fā)生的相變，產(chǎn)生

12、形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和熱能的相互轉(zhuǎn)換。 2）醫(yī)學(xué)應(yīng)用 醫(yī)學(xué)上使用形狀記憶合金主要是Ti-Ni合金，這種材料對(duì)生物體有較好的相容性，可以埋入人體作為移植材料。在生物體內(nèi)部作固定折斷骨架的銷(xiāo)、進(jìn)行內(nèi)固定接骨的接骨板，由于體內(nèi)溫度是Ti-Ni合金發(fā)生相變，形狀改變，不但沒(méi)能將兩段骨固定住，而且能在相變過(guò)程中產(chǎn)生壓力，迫使斷骨很快愈合。另外，假肢的連接、矯正脊柱彎曲的矯正板，都是利用形狀記憶合金治療的實(shí)例。 在內(nèi)科方面，可將細(xì)的Ti-Ni絲插入血管，由于體溫使其恢復(fù)到母相的網(wǎng)狀，阻止95%的凝血塊不流向心臟。用記憶合金制造的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合

13、，可以模仿心室收縮運(yùn)動(dòng)，制造人工心臟。 （3）智能應(yīng)用 形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能為一體的新形材料，因而可以廣泛應(yīng)用于各種自調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機(jī)械。形狀記憶薄膜和細(xì)絲可能成為未來(lái)機(jī)械手和機(jī)器人的理想材料，它們除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響，可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高科技領(lǐng)域大顯身手。 Ti-Ni合金前景 近年來(lái)在Ti-Ni合金基礎(chǔ)上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co、Zr、Pb等元素，開(kāi)發(fā)了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr等新型Ti-Ni合金。上述

14、合金元素對(duì)Ti-Ni合金的Ms點(diǎn)有明顯影響，也使As溫度降低，即使偽彈性向低溫發(fā)展。Ti-Ni系合金是最具有前景的形狀記憶材料，性能優(yōu)良，可靠性好，并且與人體有生物相容性；為適應(yīng)在微機(jī)械及各種復(fù)雜環(huán)境中的使用要求，Ti-Ni形狀記憶合金級(jí)后的發(fā)展方向是尺寸的超小化、超細(xì)化、超薄化；相變的高溫化；熱滯的寬化與窄化；功能的復(fù)合智化以及組織性能的穩(wěn)定化。結(jié)論：記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢(shì)十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個(gè)邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時(shí)日，它將大展宏圖、造福于人類(lèi)。參考文獻(xiàn)1殷景華 王雅珍 鞠剛.功能材料概論.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2009.7