形状记忆合金(shape  memory   alloy)

发生塑性变形后，在某一温度能恢复原来形状的新型精密合金。一般金属在外力作用下出现弹性变形，到屈服点后发生塑性变形，去除外力后留下永久变形。有些金属在塑性变形后，当加热到某一温度时，可恢复到变形前的状态。

简史    20世纪30年代，美国哈佛大学格雷宁格(A．B．Greninger)等人发现，铜锌合金在加热和冷却过程，马氏体会随之收缩和长大。1948年，苏联库尔久莫夫(Culgumov)等人预测到，一部分具有马氏体相变的合金，会出现热弹性马氏体相变。1951年，张禄经等人报导了原子比为1：1的金镉合金，在热循环中会反复出现可逆相变。后来雷德(T．A．Read)等人报导了在铟一钛合金中发现同样的可逆相变。1958年，在布鲁塞尔国际博览会上展出了用金镉合金制作的重物升降机。1963年美国海军武器实验室一个研究小组发现，钛镍合金工件在不同温度下敲出不同的音响。进一步研究发现，接近等原子比的钛镍合金具有良好的形状记忆效应，引起了各国的重视和广泛的研究。

分类     按基本成分可分为钛镍基、铜基和铁基三大类。

钛镍基形状记忆合金    该类是性能较好、应用最广的形状记忆合金。主要为Ti₅₀Ni₅₀、Ti₅₀Ni_50-x Cu_x(x为0～30，实用的x≤10)、Ti₅₀Ni_50-x Fe_x(x为0～3．5)及Ti₅₀Ni₄₈Nb₂等合金。钛镍基形

状物理特性及记忆特性如下：

    密度/g.cm^-3                                   6.0～6.5

    熔点  /^oC                                        1240～1310

    线膨胀系数   /^oC^-1                        10x10^-6

    热导率    /w.(m.k)  ^-1                     0.209

钛镍基形状记忆合金可以实现单程、双程及全程形状记忆效应，还可以实现超弹性功能。

铜基形状记忆合金    主要优点是成本低、易于制造，但记忆效应不如钛镍合金。形状记忆合金中，铜基合金占的比例最大，其中最有实用价值的是铜锌铝和铜铝镍合金。化学成分和淬火速度对铜基形状记忆合金的相变温度有很大影响，通过成分配比和改变淬火介质，可以调整和控制相变温度。当实际使用温度偏高时，时效效应又使相变温度发生变动，使形状记忆特性降低。因此使用温度上限不应超过1。0℃。该合金在实用过程存在两个问题：(1)形状记忆特性的稳定性。形状记忆特性受热循环次数、反复变形次数及时效的影响。反复热循环(马氏体正逆相变反复进行)次数增加，位错密度也逐渐增大，合金相变温度及其范围都将发生变化。合金反复变形也会使合金相变温度发生变化，从而导致形状记忆特性不稳定。在使用温度下发生的时效效应，会造成形状记忆特性不稳定，给实际应用带来困难。(2)容易发生晶界破坏，缩短疲劳寿命。抑制晶界破坏的主要方法是细化晶粒，在铜基合金中添加钛、锆、锰、钒、硼、铬、铈、镍等元素；急冷凝固法和粉末烧结法也是细化晶粒的方法。部分铜基合金经过适当的处理(训练)，可以呈现双程形状记忆效应和超弹性效应。铜基形状记忆合金在汽车工业、电器、自动控制、医疗等方面已得到广泛应用。

铁基形状记忆合金    该类合金由于价格便宜、容易制造、力学性能好，已引起研究人员关注。典型铁基形状记忆合金有铁镍碳、铁镍钴钛、铁锰硅及铁铬镍锰形×jng硅合金等。该合金热滞大，无需采取低温扩管处理，非常适于制造管接头。科技界和工业界对此相当重视。

研究方向    主要有5个方面：(1)宽滞后的形状记忆合金。美国在1986年开发的镍钛铌形状记忆合金，经适当热处理后，A。一旭温度(奥氏体和马氏体开始转变的温度)滞后可达150℃，显著高于镍钛和镍钛铝合金(一般为30～50℃)，特别适于制造管接头。宽滞后形状记忆合金的典型代表是Ni₄₇Ti₄₄Nb₉合金。(2)高温形状记忆合金。镍钛合金和铜基形状记忆合金的马氏体转变开始温度，通常不超过100℃，不能满足诸如火灾或过热情形的预警及自动防护系统的应用。各国研究的高温形状记忆合金有三类：第一类是以铜铝镍为基础发展起来的CuAlTiMnX(X—B、V)；第二类是Ti₅₀Ni_(50-x)Y_x合金(Y=Pd，Pt，Au)；第三类是从镍铝基金属间化合物发展起来的NiAIZ(Z—Fe，Mn，B)合金。(3)轻型形状记忆合金。适于在航空、航天领域中应用，主要有Ti-14．8V-4Al和Ti-12V-16Mo-4Al合金。(4)形状记忆复合材料。把形状记忆合金纤维混合或按一定要求排列在金属、聚合物、混凝土等材料的基体中复合起来的材料，可以满足特殊场合的需要。(5)非晶、薄膜形状记忆合金。利用急冷法制造形状记忆合金丝、薄带，可以达到常规工艺无法加工的尺寸，而且产品性能优越，同时还可以实现形状记忆合金的新功能，例如非晶丝制成金属丝网，织入布料中可使西服裤的裤线不消失。总的说来，形状记忆合金向着低成本、高性能、多用途、元件实用化方向发展。

形状记忆机理    主要有形状记忆效应、热弹性马氏体相变和超弹性马氏体相变等观点。

形状记忆效应是马氏体相变引起的原子集体运动的现象。将形状记忆合金冷却到马氏体转变开始温度坛以下时，母相的一个晶粒内生成许多马氏体变体，各变体生长过程会发生自协调，因此相变时无宏观体积变化。在马氏体转变完成温度Mf以下施加应力时，马氏体变体之间发生变换，对应力有利位向的马氏体变体会优先生成，此时合金的整体会表现出宏观的形状变化。当加热到奥氏体转变完成温度At以上时，马氏体逆转变为奥氏体母相，应变消失，合金恢复原状，从而出现形状记忆效应。此时不仅晶体结构完全恢复到母相状态，晶格位向也完全恢复到奥氏体母相状态。效应的本质在于合金相变过程存在着晶体的可逆性，母相为有序结构的镍钛合金和铜基合金，相变表现为热弹性马氏体相变。合金的母相为有序结构，相变为热弹性转变，这是出现形状记忆效应的充分条件，但不是必不可少的条件。例如锌钛、锌镉、锰铜、铁铂等合金，相变表现为热弹性马氏体相变，但母相为无序结构；已实用化的铁锰硅合金母相为无序结构，相变为非热弹性，但却具有很好的形状记忆效应。有些合金(如镍钛、铜铝镍、铜锌铝等)经过一定的热处理，不仅在马氏体逆转变中能恢复到变形前的形状，而且在马氏体相变中也会自发地恢复到马氏体形态时的形状，且反复加热、冷却都会重复上述现象，称为双程形状记忆效应。在TiNi₅₁合金中，不仅具有双程记忆效应，而且在高温、低温时，记忆的形状恰好是完全逆转的形状，此称全程形状记忆效应。

热弹性马氏体相变     某些形状记忆合金，随着温度升高或降低，马氏体发生收缩或长大，这种相变称为热弹性马氏体相变。这种合金冷却到马氏体转变开始温度旭时，马氏体生核并急速长大到能观察的尺寸。随温度降低，马氏体继续长大，同时又有新的马氏体形核、长大。到马氏体转变终止温度蚴，马氏体停止长大。相反，当温度升高到奥氏体转变开始温度A，马氏体收缩。到奥氏体转变终止温度，马氏体突然消失。马氏体随温度升降表现出弹性式消长，消失是跳跃式的，而不是连续式的。热弹性马氏体相变滞后很小，一般小于100℃，例如铜铝镍合金、镍钛合金及铜锌铝合金的滞后分别为35℃、30℃及70℃。热弹性马氏体相变在晶体学上具有晶体学可逆性，母相的有序结构保证了相变中晶体学可逆性(锌钛、锌镉、锰铜、铁镉除外)，从而具有热弹性马氏体相变的合金记忆效应较好。除铁镍碳、铁锰、铁镍钴钛合金外，其他大部分记忆合金均发生热弹性马氏体相变。有的合金虽不发生热弹性马氏体相变，但也具有完好的形状记忆效应。1972年卫曼(Wayman)和清水提出具备形状记忆效应的条件为：(1)具有热弹性马氏体相变；(2)母相有序；(3)产生不变点阵切变。实际上，母相有序化、热弹性马氏体相变是形状记忆效应的充分条件，但不是必要条件。而马氏体变体之间自协调的程度高低才决定合金记忆效应的好坏，自协调好，在形变时才容易再取向，形成单变体或近似单变体的马氏体，才能引起晶体学的可逆性。

超弹性    或称伪弹性，乃是应力与应变之间呈现非线性关系的一种特性。超弹性和形状记忆效应的区别，在于前者是应力诱发相变，后者是热诱发相变，所产生的马氏体结构也不同。在单晶状态下，一些合金(如铜镍铝和铜锌铝合金)在应力作用下，不仅母相受应力作用诱发马氏体相变，表现超弹性，而且还可能使一种状态马氏体转变成另一种状态马氏体，表现为马氏体之间的应力诱发相变和超弹性。超弹性合金同普通金属材料相比，在趋于完全恢复原来形状时，回复的应变值一般可达6％～7％，个别可达20％，比普通金864属材料高1～2个数量级。超弹性合金已在胸罩、眼镜框、牙齿正畸丝等方面得到应用。中国也已用超弹性合金生产胸罩和正畸丝。