形状记忆合金及其应用
形状记忆合金及其应用
哈尔滨工业大学 王永前
哈尔滨理工大学○○○○○○○○○○
【摘要】本文介绍了SMA 的一些基本概念、关键词:形状记忆合金 象, 这种现象称为双程SME , 如图2b 所示。可见,
σ) —ε) —合金的SME 是在应力(——应变(——温度(T ) 三维空间中的一种特殊机械行为。这种空间行为见图2。由于SME 的微观机制与母相P 及马氏体M 之间发生的P ΩM 正逆相变密切相关, 所以, 图2中的相变温度及应变量等均为重要的SMA 设计参数。其中Ms 、Mf 为P →M 正相变开始与终了温度;
As 、Af 为M →P 逆相变开始与终了温度。Md 温度
一, 形状记忆合金(简称
SMA ) , 国内外已做了大量工作。但它的应用开发研究则进展缓慢。诚然,SMA 本身存在一些难解决的问题, 但主要则在于SMA 尚未或甚少被工程师们所认识, 致使形状记忆效应(简称SME ) 这一奇特功能难以应用于实际。因此有必要扩大宣传和推广。 二、
形状记忆效应
图1直观地示意出合金
的形状记忆效应。在T 1温度下, 将原来SMA
直棒弯曲变形后, 加热至T 2, 弯曲棒便逐渐自动变直回冷至T 1, 棒仍保持直的形状。合金的
a ) 单程SME b ) 双程SME 这种在某种条件下经任图1 形状记忆效应示意图意方式的塑性变形, 然后加热至该种合金固有的某一温度以上, 又完全恢复其原来形状的现象, 称为形状记忆效应(SME ) 。图1a 中所示为单程SME ; 如果由T 2冷至T 1时, SMA 棒复又自
btpsfa 为SME cdcjc 为伪弹性
动弯曲, 从而随T 2Ω
图2 形状记忆合金应力
T 1热循环, 棒的形状
—应变—温度关系示意图
亦发生直Ω弯循环现・20・
为在外力作用下, 能够诱发P →M 相变的最高温度, 高于此温度变形, SMA 的变形行为与普通合金相同, 因而,SME 的变形温度Td ≤Md 。
对于Ni —Ti 、Cu 基等多数SMA , 当满足Af
Td
示, 即在σ作用下, 尽管合金呈现宏观屈服现象, 并发生较大的范性变形(cdi 段) , 但是, 一旦卸载后, 如同普通合金的弹性变形一样, 其范性变形减小至0,
ε呈即合金形状随加载变化, 随卸载恢复。因为σ—非线性,SMA 的这种机械行为称为伪弹性。
SMA 的伪弹性与SME 取决于变形温度Td 。
如果Af
继Ti —Ni ,Cu 基SMA 后, 人们迄今已开发研制了数十种SMA , 以满足不同的工程需要, 如核反应堆需要的高温SMA ; 航天航空需要的轻型SMA 等, 表1列出了一些SMA 的组成与相变温度。
《机械工程师》1996. 3
其中, 只有Ti —Ni 与Cu 基SMA 已获得应用。由于Ti —Ni SMA 的塑性、强度、耐蚀性、电性、高温稳定性及记忆性能均优于Cu 基SMA , 因此, 尽管其造价昂贵仍获得了更为广泛的应用。 四、形状记忆合金应用
据报道,SMA 在许多领域均获得了一定程度上的应用。总的来看,SMA 可分为自由恢复与约束恢复应用两大类。
表1 成分
491315wt %Ni
Cu 2Zn 2X
Ti 2Ni 2Fe Ti 2Ni 2Nb Fe 2Mn 2Si TiAu TiPd TiPt TiVAl TiMoAl
47at %Ni3at %FeNi47,Nb920232Mnwt %026Siwt %50at %Au50at %Pd50at %Pt14～18wt %V4wt %Al12～16wt %Mo
4wt %Al
6205101070
304015
度外, 还需考虑SMA 的可恢复应变。当SMA 的范性应变εp 超过某一极限值时, 通过加热该范性应变只能被部分地恢复, 而造成残余应变ε, p 愈大, f >0εε对于Ni -Ti SMA ,Cu 基于-Mn f 愈大。
系SMA , 2%。
(应变) 、恒载荷或变载、。在此须着重, , 形态恢复起始与终了温度基本上等于As 与Af ; 但在有的约束恢复中, 其形状恢复起始与终了温度有可能会高于As 与Af ; 但在有的约束恢复中, 其形状恢复起始与终了温度有可能会高于As 与Af 。现以管接头为例来说明SMA 的设计参数。
用SMA 制作一ψd 0的管套, 以连接两个直径相同的管件, 见图4a 。由于D >d 0, 需要在低温下将SMA 管套扩径至d ′0>D (图4b ) , 然后将其套在被连接管件上加热,SMA 管套便开始收缩, 当由d ′0收缩至D 时, 进一步收缩便受到被连接件的限制, 从而产生恢复力σr , 从而紧紧地连接住管件(图4c ) 。这里须再定义与εc 与
εT c 。c 称为接触应变, 即当SMA 由范性应变εp 恢复到εc 时, 便
与管件发生接触而受到约束, 因而, 广义上
讲, 约束作用刚刚发a ) 扩径前b ) 扩径后c ) 加热连接
形状记忆合金管生时, SMA 具有的应图4
接头及其工作示意图ε变值, 显然εc ≤p 。与
εc 对应的温度为T c 。SMA 恢复力σr 之大小, 与εc 与T c 有关, 对于Ni —Ti SMA σ, r 可达600MPa 。
合金
Ti 2Ni Cu 2) As 2(2502140～1002180～[1**********]150～150
～30～35
1018
235～150
室温附近室温附近
表中成份除注明外, 均为at %
1. 自由恢复
所谓自由恢复是指在无任何外加约束的条件下的形状恢复。其最具有代表性的应用是自动展开宇航天线。在母相状态(即高于Md 温度下)
由上述可见, 约束恢复条件下的SMA 零部件设计, 除相变温度外, 还需要考虑恢复力σr 接触应
做成图3b 所示之形变εc 以及SMA 的双程SME 。状, 然后, 冷至Ms 以在SMA 的应用中,95%以上为约束恢复条件下下温度将其折叠成图的应用, 诸如温控开关、电缆插头, 防震螺栓都已成
a ) 折叠态 b ) 舒展态为商品化产品。有人甚至用SMA 设计微型冲床, 微3a 的形状, 以占据较
图3 自动展开宇航天线示意图型发电机等能量转换装置。
小的空间。当到达太
关于SMA 的伪弹性亦有应用的报道, 如眼镜空中指定位置后, 在太阳光线照射加热下, 重新自动
框架、储能, 弹性密封圈等。鉴于篇幅, 本文不再详述。舒展开图3b 的形状。
利用SMA 的自由恢复进行设计时, 除相变温《机械工程师》1996. 3
(编辑 启迪)
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