《形狀記憶合金講》課件

形狀記憶合金形狀記憶合金是一種具有特殊性能的材料，它在特定條件下能夠恢復到原來的形狀。什么是形狀記憶合金？形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應的特殊金屬合金。當材料被加熱到特定的溫度時，它會恢復到其原始形狀。形狀記憶合金的這種獨特性能使其在各種領域具有廣泛的應用。形狀記憶合金的工作原理1相變加熱到一定溫度，形狀記憶合金會發(fā)生相變2回復相變后，合金恢復到原始形狀3形變在低溫狀態(tài)下，合金可以被塑性形變形狀記憶合金的特點形狀恢復在一定的溫度范圍內，形狀記憶合金可以恢復到預設的形狀。高強度與傳統(tǒng)金屬相比，形狀記憶合金具有更高的強度和抗疲勞性。超彈性形狀記憶合金可以承受比傳統(tǒng)金屬更大的形變而不發(fā)生永久性變形。形狀記憶合金的發(fā)展歷程早期研究1932年，奧奈斯發(fā)現(xiàn)金-鎘合金具有形狀記憶效應。合金發(fā)展20世紀60年代，美國海軍研究室開始了形狀記憶合金的研究，并開發(fā)出鎳鈦合金（Nitinol）。應用拓展20世紀70年代開始，形狀記憶合金在醫(yī)療、航空、汽車等領域得到應用。未來展望形狀記憶合金的研究和應用仍在不斷發(fā)展，未來將有更多的新材料和新應用出現(xiàn)。形狀記憶合金的制造方法1熔煉將原材料混合，高溫熔化并混合成均勻的合金2熱處理通過加熱和冷卻，使合金獲得所需的相變特性3加工成型將合金加工成所需的形狀，如線材，板材或管材4表面處理通過表面處理，提升合金的耐腐蝕性和耐磨性形狀記憶合金的性能指標指標單位典型值恢復應力MPa100-1000恢復應變%2-10相變溫度℃-50-200抗拉強度MPa400-1000屈服強度MPa200-600延伸率%5-20形狀記憶合金的應用領域醫(yī)療器械形狀記憶合金在醫(yī)療器械中應用廣泛，例如，用于制作血管支架、人工心臟瓣膜、骨釘和骨板等。航天航空形狀記憶合金可用于制造飛機和火箭的部件，如機翼、尾翼和發(fā)動機部件，提升其性能和可靠性。汽車工業(yè)形狀記憶合金在汽車工業(yè)中用于制造發(fā)動機部件、安全氣囊、排氣系統(tǒng)和座椅，提升其性能和安全性。消費品形狀記憶合金也用于制造眼鏡架、手表、玩具和運動器材等消費品，提升其功能和耐用性。醫(yī)療器械中的應用形狀記憶合金在醫(yī)療器械領域擁有廣泛的應用，其獨特的性能為醫(yī)療器械的創(chuàng)新提供了新的可能。用于制造**可控釋放藥物**的支架，在溫度變化下改變形狀，釋放藥物。用于制作**微創(chuàng)手術工具**，如血管夾和導管，提高手術的精確性和安全性。用于制造**人工關節(jié)和骨骼**，模擬人體骨骼的彈性和韌性，改善患者的生活質量。航天航空中的應用形狀記憶合金在航天航空領域擁有廣闊的應用前景。它們能夠在高溫、低溫、高壓等極端環(huán)境下保持良好的性能，并具有優(yōu)異的抗疲勞性和抗腐蝕性。例如，形狀記憶合金可以用于制造航天器的結構件，例如機身、機翼、衛(wèi)星天線等，以提高其強度和耐用性。此外，形狀記憶合金還可以用作航天器上的智能控制元件，例如自修復結構、可控變形機構等，以提升航天器的可靠性和安全性。汽車工業(yè)中的應用形狀記憶合金在汽車工業(yè)中有著廣泛的應用，例如：用于制造汽車保險杠、引擎蓋等部件，提高汽車的安全性用于制造汽車座椅、方向盤等部件，提高汽車的舒適性用于制造汽車排氣系統(tǒng)，提高汽車的燃油效率消費品中的應用形狀記憶合金在消費品領域擁有廣泛的應用，為生活帶來便捷和舒適。從智能眼鏡到自調節(jié)服裝，形狀記憶合金正在改變著人們的生活方式。智能眼鏡框架：形狀記憶合金眼鏡框架可以根據不同的臉型自動調節(jié)，提供舒適的佩戴體驗。自調節(jié)服裝：形狀記憶合金織物可以根據溫度變化自動調整衣服的松緊度，保持舒適的穿著體驗。可折疊手機：形狀記憶合金可以用于制作可折疊手機的鉸鏈，實現(xiàn)手機的靈活折疊和展開。形狀記憶合金材料的分類單向形狀記憶合金僅在特定溫度下恢復到原始形狀。雙向形狀記憶合金可在兩個方向上恢復到預設形狀。單向形狀記憶合金定義僅在加熱時恢復到原始形狀的形狀記憶合金。特點恢復原始形狀的溫度和方向是固定的。雙向形狀記憶合金雙向形狀記憶效應雙向形狀記憶合金可以根據溫度變化在兩個不同的形狀之間轉換。應用領域雙向形狀記憶合金在航空航天、醫(yī)療器械等領域具有廣泛的應用前景。示例例如，可用于制造可調節(jié)形狀的醫(yī)療器械，或用于航空航天領域中的溫度控制。形狀記憶合金的相變行為1奧氏體相高溫狀態(tài)下的穩(wěn)定結構，具有高彈性，能承受較大形變。2馬氏體相低溫狀態(tài)下的穩(wěn)定結構，具有高強度，但塑性較差。3相變過程溫度變化導致合金晶體結構發(fā)生變化，從奧氏體相變?yōu)轳R氏體相或反之。形狀記憶合金的熱機械性能熱循環(huán)形狀記憶合金可以承受多次熱循環(huán)而不會顯著退化，使其適用于需要反復循環(huán)熱應力的應用。力學性能形狀記憶合金具有高強度、高彈性模量和高屈服強度，使其能夠承受高載荷。形變能力形狀記憶合金能夠在高溫下承受大形變并恢復其原始形狀，使其適用于需要高形變能力的應用。形狀記憶合金的超彈性大變形形狀記憶合金可承受高應力下的顯著變形，并恢復原狀?？赡嫘宰冃魏突謴瓦^程可反復進行，且性能保持穩(wěn)定。能量吸收超彈性可吸收大量能量，應用于緩沖和減震等領域。形狀記憶合金的工藝制備1熔煉工藝形狀記憶合金的熔煉過程是其制造的關鍵環(huán)節(jié)，需要嚴格控制溫度和成分。2熱處理工藝熱處理工藝是形狀記憶合金獲得其特殊性能的必要步驟，包括退火、淬火和時效等。3機加工工藝機加工工藝是將形狀記憶合金加工成特定形狀和尺寸，以便應用于不同的領域。4表面處理工藝表面處理工藝可以提高形狀記憶合金的耐腐蝕性、耐磨性和表面光潔度。熔煉工藝真空熔煉減少雜質和氣孔，提高合金的純度和性能。電弧熔煉利用電弧的高溫熔化金屬，適用于高熔點合金。感應熔煉利用電磁感應原理加熱金屬，適用于大規(guī)模生產。熱處理工藝退火退火是將形狀記憶合金加熱到一定溫度，保溫一段時間后緩慢冷卻的工藝。退火可以消除合金內部的應力和提高其塑性。時效時效是將形狀記憶合金加熱到低于其相變溫度的溫度，保溫一段時間后冷卻的工藝。時效可以提高合金的強度和硬度。淬火淬火是將形狀記憶合金加熱到一定溫度，保溫一段時間后快速冷卻的工藝。淬火可以提高合金的硬度和耐磨性。機加工工藝切割形狀記憶合金的切割需要使用特殊的工具和方法，以避免材料的變形或損傷。鉆孔形狀記憶合金的鉆孔需要使用硬質合金鉆頭，以確保孔的精度和表面質量。車削形狀記憶合金的車削需要使用高速切削工具和潤滑劑，以防止材料的過熱和變形。表面處理工藝電鍍提高合金的耐腐蝕性，提高合金的耐磨性，美觀。激光表面處理提高合金的表面硬度，改善合金的疲勞性能。陽極氧化提高合金的耐腐蝕性，增加合金的表面硬度，改善合金的抗磨損性能。形狀記憶合金的測試與表征顯微組織分析觀察合金的微觀結構，了解其相變行為和力學性能。相變行為分析確定形狀記憶合金的相變溫度、相變過程、相變焓變等參數(shù)。力學性能測試測量形狀記憶合金的強度、硬度、彈性模量、屈服強度等性能指標。顯微組織分析金相顯微鏡觀察合金的顯微結構，例如晶粒大小、形狀和分布，以及相變產物的形態(tài)和數(shù)量。這些信息有助于理解合金的性能和加工過程。掃描電子顯微鏡對合金的表面進行高分辨率成像，可以識別微觀結構的細節(jié)，包括晶界、夾雜物和裂紋。透射電子顯微鏡通過電子束穿透薄樣品來研究材料的內部結構，可以觀察原子排列和缺陷，為理解合金的相變機制提供依據。相變行為分析差示掃描量熱法(DSC)DSC可以測量材料在加熱或冷卻過程中的熱流變化，以確定相變溫度和焓變。X射線衍射(XRD)XRD用于分析材料的晶體結構和相變過程中的結構變化。透射電子顯微鏡(TEM)TEM提供了材料微觀結構的詳細信息，包括相變的形貌和機制。力學性能測試拉伸測試測量形狀記憶合金在拉伸載荷下的應力和應變關系，以評估其強度和延展性。壓縮測試評估形狀記憶合金在壓縮載荷下的變形能力和恢復能力。彎曲測試測試形狀記憶合金在彎曲載荷下的變形和恢復特性。形狀記憶合金的未來發(fā)展趨勢1材料性能的優(yōu)化提升強度、韌性、耐腐蝕性2新應用領域的開拓拓展醫(yī)療、航空、能源等領域3制造工藝的創(chuàng)新提高制造成本效益，擴大應用規(guī)模材料性能的優(yōu)化提高強度通過添加合金元素或進行熱處理，可以提高形狀記憶合金的強度和硬度，使其更耐用。改善耐腐蝕性通過表面處理或使用耐腐蝕合金元素，可以提高形狀記憶合金的耐腐蝕性能，使其在惡劣環(huán)境下也能保持良好性能。增強抗疲勞性通過優(yōu)化材料的微觀結構和加工工藝，可以提高形狀記憶合金的抗疲勞性能，使其能夠承受反復的形變而不發(fā)生斷裂。新應用領域的開拓形狀記憶合金在機器人領域具有巨大潛力，可以實現(xiàn)更靈活、更精準的動作控制。形狀記憶合金可以用于智能家居