Ni—Ti系形狀記憶合金的應(yīng)用

摘 要 文章介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)，Ni-Ti-X三元形狀記憶合金的種類(lèi)、性質(zhì)與應(yīng)用，Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用，稀土元素對(duì)Ni-Ti記憶合金的改善以及Ni-Ti系形狀記憶合金的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 性質(zhì)；Ni-Ti-X；Ni-Ti形狀記憶合金合金薄膜

中圖分類(lèi)號(hào)：TBl46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0103-02

形狀記憶合金是記憶材料中舉足輕重的一部分，其中Ni-Ti系合金是目前所有形狀記憶合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕，形狀記憶恢復(fù)率高，其很好的生物相容性使得它成為唯一的生物醫(yī)學(xué)材料。經(jīng)歷了從“概念化熱潮”、“應(yīng)用化熱潮”到“產(chǎn)業(yè)化熱潮”的發(fā)展。

1 Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)

相圖是所有相變研究的基礎(chǔ)，是研究合金組織和性能的重要依據(jù)，圖1所示的Ni-Ti合金相圖是最近Massalski[1]等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。

圖1 Ni-Ti合金相圖

Ni-Ti形狀記憶合金的成分處于近等原子比范圍，在冷卻過(guò)程中除發(fā)生B19馬氏體相變外，還伴隨R（有公度）相變，其也是一種馬氏體類(lèi)型的相變。另外，合金還具有以下條件[2]。

1）馬氏體相變是熱彈性的；馬氏體和母相的晶體點(diǎn)陣呈完全的晶體學(xué)可逆性的馬氏體相變稱(chēng)為熱彈性馬氏體相變。這類(lèi)材料的馬氏體，經(jīng)過(guò)重新加熱至一定的溫度，可通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?，稱(chēng)為逆馬氏體相變。熱滯小，相界面隨溫度升降能很快作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，相變中的母相晶體和馬氏體都是產(chǎn)生彈性變形，而且兩相界面始終保持著良好的協(xié)調(diào)性。部分合金及其轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表1。

表1 部分Ni-Ti系形狀記憶合金及其轉(zhuǎn)變溫度

合金 成分 Ms/℃ AS/℃

Ni-Ti

Ti-Ni-Cu

Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

Ti-51Ni

Ti-20Ni-30Cu

Ti-47Ni-3Fe 60

-20

80

-90 78

-12

85

-72

2）馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)。

3）母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；母相有序化合金的彈性極限較高，可以保證，在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中母相與馬氏體之間的共格關(guān)系不會(huì)因晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而被破壞，使逆轉(zhuǎn)變成為可能[3]；根據(jù)能量最低最穩(wěn)定，馬氏體只有轉(zhuǎn)變回原來(lái)的母相組織，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

4）相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。點(diǎn)陣不變切變的結(jié)果是內(nèi)部孿晶，因而也保證了轉(zhuǎn)變的可逆性。

2 Ni-Ti-X三元形狀記憶合金

第三元素（X）對(duì)馬氏體相變的溫度有很大的影響。鐵、鋁、鈷、錳、釩、鈮和稀土元素鈰、釹等，使馬氏體相變溫度Ms呈直線(xiàn)下降。金、鉑、鈀、鉿、鋯提高M(jìn)s溫度。Cu對(duì)B2→B19相變溫度影響不大，但使相變順序發(fā)生變化[4]。

1）Ni-Ti-Cu窄滯后形狀記憶合金。銅的加入抑制了合金MS溫度對(duì)成分的敏感性，且使相變滯后明顯變窄（4℃左右），如Ni50Ti30Cu20合金。合金對(duì)溫度場(chǎng)的反應(yīng)比較迅速，可以用于制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。

2）Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金。Ni-Ti-Nb合金在一個(gè)特征形變溫度（MS+30℃）和臨界形變量范圍（14%～20%）條件下變形，可有效地提高馬氏體的穩(wěn)定性，使相變滯后增大，同時(shí)應(yīng)變恢復(fù)率和恢復(fù)力仍維持較高水平，這種特性與Ni-Ti-Nb合金的形變馬氏體組織結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨罂蛇_(dá)150℃，用這種合金制作的連接緊固件可在室溫下存儲(chǔ)，工程應(yīng)用極為方便。

3）高溫形狀記憶合金。Ni-Ti合金的MS溫度一般低于100℃，通常只能在低于100℃的溫度下使用。但在相當(dāng)多的情況下，如防火裝置、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等要求的工作溫度一般較高，僅僅常溫下的形狀記憶合金遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足，為了擴(kuò)大記憶合金的應(yīng)用，需要發(fā)展高溫形狀記憶合金。我們采用合金化的方法，如添加貴金屬鈀、金和鉑來(lái)代替鎳或者添加鉿和鋯來(lái)代替鈦來(lái)提高相變溫度。

3 Ni-Ti形狀記憶合金薄膜

用濺射法制備N(xiāo)i-Ti合金薄膜，在襯底溫度低于200℃時(shí)，所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶態(tài)，不顯示形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)過(guò)400℃以上溫度晶化處理后，才能獲得形狀記憶效應(yīng)。與體材料類(lèi)似，Ni-Ti薄膜冷卻時(shí)也發(fā)生R相變和B19馬氏體相變。

Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的優(yōu)勢(shì)在于它的響應(yīng)速度快、做功輸出能力高，且集傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能。由于B2→R相變的相變滯后較窄，對(duì)溫度場(chǎng)的響應(yīng)較快，適合于制作微驅(qū)動(dòng)器[5]。且在恒壓力作用下，Ni-Ti合金薄膜的Ms溫度和可恢復(fù)應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著提高，隨后達(dá)到某一穩(wěn)定值。而且，富鎳Ni-Ti合金薄膜在經(jīng)約束時(shí)效后可獲得良好的雙程形狀記憶效應(yīng)[6]。

4 Ni-Ti形狀記憶合金的發(fā)展

我們除了在Ni-Ti中加入常規(guī)第三組元來(lái)改善Ni-Ti的性能外，也可考慮在Ni-Ti中加入稀土元素來(lái)發(fā)展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形狀記憶合金基體中分別通過(guò)碳熱還原法和真空固滲法加入稀土Ce或Sm元素，形成稀土鎳金屬間化合物滲層，強(qiáng)化了Ti-Ni形狀記憶合金的表面，并使Ni-Ti合金的線(xiàn)性回復(fù)性能得以改善。但由于熔煉時(shí)不可避免坩堝的雜質(zhì)滲入到熔體，所以稀土元素對(duì)記憶合金的作用還有待進(jìn)一步研究[8]。

目前，形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用已有很多。工程上，可用在機(jī)械工業(yè)、自控和儀表工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、兵器工業(yè)、航空和航天工業(yè)等方面。圖2為Ni-Ti合金在緊固銷(xiāo)上應(yīng)用的一個(gè)例子。這是形狀記憶合金一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，從外部不能接觸到的地方可以利用這種方法，是其他材料無(wú)法替代的。可應(yīng)用于原子能工業(yè)、真空裝置、海底工程和宇宙空間工程等處。

圖2

在醫(yī)學(xué)上，主要使用的還是Ni-Ti合金，它對(duì)生物材料有較好的相容性，可以埋入人體做移植材料。從功能方面考慮，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是利用其形狀恢復(fù)功能。例如，在心臟、下肢和骨盆靜脈中形成的血栓被剝離后，會(huì)通過(guò)血管游動(dòng)到肺部發(fā)生肺栓塞，一般我們需要使用抗凝劑或者進(jìn)行外科手術(shù)，但這兩種方法都不是太安全，這時(shí)我們將一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的馬氏體Ni-Ti直絲植入體內(nèi)，由于體溫的作用，使其變成復(fù)雜的母相過(guò)濾器形狀，來(lái)阻擋凝結(jié)物進(jìn)入心臟、肺。

5 結(jié)論

形狀記憶合金薄膜可能會(huì)成為未來(lái)機(jī)器人和機(jī)械手的理想材料，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。

參考文獻(xiàn)

[1]Massalski TB，Okamoto H，Subramanian PR，Kacprzak L.editers.Bniary alloy phase diagrams[J].2nd ed，vo1.3.Ohio：ASM International，1990：2875

[2]王正品，等.金屬功能材料[J].化學(xué)工業(yè)出版社，2004：261.

[3]劉列義，洪偉卿，等.Ni-Ti形狀記憶合金的應(yīng)用[J].上海鋼研，1981（59）：68.

[4]張?bào)K華.功能材料及其應(yīng)用[J].機(jī)械工業(yè)出版社，2009：137.

[5]秦桂紅，等.Ni-Ti形狀就醫(yī)合金薄膜的研究與應(yīng)用[J].上海鋼研，2005.

[6]Gil F J，Solano E，Pena J，et al. J Mater Sci： Materials in Medicine，2004，15： 1181.

[7]王高潮，楊剛，魯世強(qiáng)，等.金屬功能材料，2004，11（6）：12.

[8]尹燕，徐仰濤，等.三元Ni-Ti基形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（12）：70-73.

作者簡(jiǎn)介

吳怡（1992-），女，漢族，河南安陽(yáng)人，本科，單位：鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè)，研究方向：金屬材料。endprint

摘 要 文章介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)，Ni-Ti-X三元形狀記憶合金的種類(lèi)、性質(zhì)與應(yīng)用，Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用，稀土元素對(duì)Ni-Ti記憶合金的改善以及Ni-Ti系形狀記憶合金的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 性質(zhì)；Ni-Ti-X；Ni-Ti形狀記憶合金合金薄膜

中圖分類(lèi)號(hào)：TBl46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0103-02

形狀記憶合金是記憶材料中舉足輕重的一部分，其中Ni-Ti系合金是目前所有形狀記憶合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕，形狀記憶恢復(fù)率高，其很好的生物相容性使得它成為唯一的生物醫(yī)學(xué)材料。經(jīng)歷了從“概念化熱潮”、“應(yīng)用化熱潮”到“產(chǎn)業(yè)化熱潮”的發(fā)展。

1 Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)

相圖是所有相變研究的基礎(chǔ)，是研究合金組織和性能的重要依據(jù)，圖1所示的Ni-Ti合金相圖是最近Massalski[1]等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。

圖1 Ni-Ti合金相圖

Ni-Ti形狀記憶合金的成分處于近等原子比范圍，在冷卻過(guò)程中除發(fā)生B19馬氏體相變外，還伴隨R（有公度）相變，其也是一種馬氏體類(lèi)型的相變。另外，合金還具有以下條件[2]。

1）馬氏體相變是熱彈性的；馬氏體和母相的晶體點(diǎn)陣呈完全的晶體學(xué)可逆性的馬氏體相變稱(chēng)為熱彈性馬氏體相變。這類(lèi)材料的馬氏體，經(jīng)過(guò)重新加熱至一定的溫度，可通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶啵Q(chēng)為逆馬氏體相變。熱滯小，相界面隨溫度升降能很快作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，相變中的母相晶體和馬氏體都是產(chǎn)生彈性變形，而且兩相界面始終保持著良好的協(xié)調(diào)性。部分合金及其轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表1。

表1 部分Ni-Ti系形狀記憶合金及其轉(zhuǎn)變溫度

合金 成分 Ms/℃ AS/℃

Ni-Ti

Ti-Ni-Cu

Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

Ti-51Ni

Ti-20Ni-30Cu

Ti-47Ni-3Fe 60

-20

80

-90 78

-12

85

-72

2）馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)。

3）母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；母相有序化合金的彈性極限較高，可以保證，在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中母相與馬氏體之間的共格關(guān)系不會(huì)因晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而被破壞，使逆轉(zhuǎn)變成為可能[3]；根據(jù)能量最低最穩(wěn)定，馬氏體只有轉(zhuǎn)變回原來(lái)的母相組織，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

4）相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。點(diǎn)陣不變切變的結(jié)果是內(nèi)部孿晶，因而也保證了轉(zhuǎn)變的可逆性。

2 Ni-Ti-X三元形狀記憶合金

第三元素（X）對(duì)馬氏體相變的溫度有很大的影響。鐵、鋁、鈷、錳、釩、鈮和稀土元素鈰、釹等，使馬氏體相變溫度Ms呈直線(xiàn)下降。金、鉑、鈀、鉿、鋯提高M(jìn)s溫度。Cu對(duì)B2→B19相變溫度影響不大，但使相變順序發(fā)生變化[4]。

1）Ni-Ti-Cu窄滯后形狀記憶合金。銅的加入抑制了合金MS溫度對(duì)成分的敏感性，且使相變滯后明顯變窄（4℃左右），如Ni50Ti30Cu20合金。合金對(duì)溫度場(chǎng)的反應(yīng)比較迅速，可以用于制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。

2）Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金。Ni-Ti-Nb合金在一個(gè)特征形變溫度（MS+30℃）和臨界形變量范圍（14%～20%）條件下變形，可有效地提高馬氏體的穩(wěn)定性，使相變滯后增大，同時(shí)應(yīng)變恢復(fù)率和恢復(fù)力仍維持較高水平，這種特性與Ni-Ti-Nb合金的形變馬氏體組織結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨罂蛇_(dá)150℃，用這種合金制作的連接緊固件可在室溫下存儲(chǔ)，工程應(yīng)用極為方便。

3）高溫形狀記憶合金。Ni-Ti合金的MS溫度一般低于100℃，通常只能在低于100℃的溫度下使用。但在相當(dāng)多的情況下，如防火裝置、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等要求的工作溫度一般較高，僅僅常溫下的形狀記憶合金遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足，為了擴(kuò)大記憶合金的應(yīng)用，需要發(fā)展高溫形狀記憶合金。我們采用合金化的方法，如添加貴金屬鈀、金和鉑來(lái)代替鎳或者添加鉿和鋯來(lái)代替鈦來(lái)提高相變溫度。

3 Ni-Ti形狀記憶合金薄膜

用濺射法制備N(xiāo)i-Ti合金薄膜，在襯底溫度低于200℃時(shí)，所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶態(tài)，不顯示形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)過(guò)400℃以上溫度晶化處理后，才能獲得形狀記憶效應(yīng)。與體材料類(lèi)似，Ni-Ti薄膜冷卻時(shí)也發(fā)生R相變和B19馬氏體相變。

Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的優(yōu)勢(shì)在于它的響應(yīng)速度快、做功輸出能力高，且集傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能。由于B2→R相變的相變滯后較窄，對(duì)溫度場(chǎng)的響應(yīng)較快，適合于制作微驅(qū)動(dòng)器[5]。且在恒壓力作用下，Ni-Ti合金薄膜的Ms溫度和可恢復(fù)應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著提高，隨后達(dá)到某一穩(wěn)定值。而且，富鎳Ni-Ti合金薄膜在經(jīng)約束時(shí)效后可獲得良好的雙程形狀記憶效應(yīng)[6]。

4 Ni-Ti形狀記憶合金的發(fā)展

我們除了在Ni-Ti中加入常規(guī)第三組元來(lái)改善Ni-Ti的性能外，也可考慮在Ni-Ti中加入稀土元素來(lái)發(fā)展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形狀記憶合金基體中分別通過(guò)碳熱還原法和真空固滲法加入稀土Ce或Sm元素，形成稀土鎳金屬間化合物滲層，強(qiáng)化了Ti-Ni形狀記憶合金的表面，并使Ni-Ti合金的線(xiàn)性回復(fù)性能得以改善。但由于熔煉時(shí)不可避免坩堝的雜質(zhì)滲入到熔體，所以稀土元素對(duì)記憶合金的作用還有待進(jìn)一步研究[8]。

目前，形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用已有很多。工程上，可用在機(jī)械工業(yè)、自控和儀表工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、兵器工業(yè)、航空和航天工業(yè)等方面。圖2為Ni-Ti合金在緊固銷(xiāo)上應(yīng)用的一個(gè)例子。這是形狀記憶合金一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，從外部不能接觸到的地方可以利用這種方法，是其他材料無(wú)法替代的?？蓱?yīng)用于原子能工業(yè)、真空裝置、海底工程和宇宙空間工程等處。

圖2

在醫(yī)學(xué)上，主要使用的還是Ni-Ti合金，它對(duì)生物材料有較好的相容性，可以埋入人體做移植材料。從功能方面考慮，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是利用其形狀恢復(fù)功能。例如，在心臟、下肢和骨盆靜脈中形成的血栓被剝離后，會(huì)通過(guò)血管游動(dòng)到肺部發(fā)生肺栓塞，一般我們需要使用抗凝劑或者進(jìn)行外科手術(shù)，但這兩種方法都不是太安全，這時(shí)我們將一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的馬氏體Ni-Ti直絲植入體內(nèi)，由于體溫的作用，使其變成復(fù)雜的母相過(guò)濾器形狀，來(lái)阻擋凝結(jié)物進(jìn)入心臟、肺。

5 結(jié)論

形狀記憶合金薄膜可能會(huì)成為未來(lái)機(jī)器人和機(jī)械手的理想材料，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。

參考文獻(xiàn)

[1]Massalski TB，Okamoto H，Subramanian PR，Kacprzak L.editers.Bniary alloy phase diagrams[J].2nd ed，vo1.3.Ohio：ASM International，1990：2875

[2]王正品，等.金屬功能材料[J].化學(xué)工業(yè)出版社，2004：261.

[3]劉列義，洪偉卿，等.Ni-Ti形狀記憶合金的應(yīng)用[J].上海鋼研，1981（59）：68.

[4]張?bào)K華.功能材料及其應(yīng)用[J].機(jī)械工業(yè)出版社，2009：137.

[5]秦桂紅，等.Ni-Ti形狀就醫(yī)合金薄膜的研究與應(yīng)用[J].上海鋼研，2005.

[6]Gil F J，Solano E，Pena J，et al. J Mater Sci： Materials in Medicine，2004，15： 1181.

[7]王高潮，楊剛，魯世強(qiáng)，等.金屬功能材料，2004，11（6）：12.

[8]尹燕，徐仰濤，等.三元Ni-Ti基形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（12）：70-73.

作者簡(jiǎn)介

吳怡（1992-），女，漢族，河南安陽(yáng)人，本科，單位：鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè)，研究方向：金屬材料。endprint

摘 要 文章介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)，Ni-Ti-X三元形狀記憶合金的種類(lèi)、性質(zhì)與應(yīng)用，Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用，稀土元素對(duì)Ni-Ti記憶合金的改善以及Ni-Ti系形狀記憶合金的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 性質(zhì)；Ni-Ti-X；Ni-Ti形狀記憶合金合金薄膜

中圖分類(lèi)號(hào)：TBl46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0103-02

形狀記憶合金是記憶材料中舉足輕重的一部分，其中Ni-Ti系合金是目前所有形狀記憶合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕，形狀記憶恢復(fù)率高，其很好的生物相容性使得它成為唯一的生物醫(yī)學(xué)材料。經(jīng)歷了從“概念化熱潮”、“應(yīng)用化熱潮”到“產(chǎn)業(yè)化熱潮”的發(fā)展。

1 Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)

相圖是所有相變研究的基礎(chǔ)，是研究合金組織和性能的重要依據(jù)，圖1所示的Ni-Ti合金相圖是最近Massalski[1]等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。

圖1 Ni-Ti合金相圖

Ni-Ti形狀記憶合金的成分處于近等原子比范圍，在冷卻過(guò)程中除發(fā)生B19馬氏體相變外，還伴隨R（有公度）相變，其也是一種馬氏體類(lèi)型的相變。另外，合金還具有以下條件[2]。

1）馬氏體相變是熱彈性的；馬氏體和母相的晶體點(diǎn)陣呈完全的晶體學(xué)可逆性的馬氏體相變稱(chēng)為熱彈性馬氏體相變。這類(lèi)材料的馬氏體，經(jīng)過(guò)重新加熱至一定的溫度，可通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?，稱(chēng)為逆馬氏體相變。熱滯小，相界面隨溫度升降能很快作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，相變中的母相晶體和馬氏體都是產(chǎn)生彈性變形，而且兩相界面始終保持著良好的協(xié)調(diào)性。部分合金及其轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表1。

表1 部分Ni-Ti系形狀記憶合金及其轉(zhuǎn)變溫度

合金 成分 Ms/℃ AS/℃

Ni-Ti

Ti-Ni-Cu

Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

Ti-51Ni

Ti-20Ni-30Cu

Ti-47Ni-3Fe 60

-20

80

-90 78

-12

85

-72

2）馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)。

3）母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；母相有序化合金的彈性極限較高，可以保證，在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中母相與馬氏體之間的共格關(guān)系不會(huì)因晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而被破壞，使逆轉(zhuǎn)變成為可能[3]；根據(jù)能量最低最穩(wěn)定，馬氏體只有轉(zhuǎn)變回原來(lái)的母相組織，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

4）相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。點(diǎn)陣不變切變的結(jié)果是內(nèi)部孿晶，因而也保證了轉(zhuǎn)變的可逆性。

2 Ni-Ti-X三元形狀記憶合金

第三元素（X）對(duì)馬氏體相變的溫度有很大的影響。鐵、鋁、鈷、錳、釩、鈮和稀土元素鈰、釹等，使馬氏體相變溫度Ms呈直線(xiàn)下降。金、鉑、鈀、鉿、鋯提高M(jìn)s溫度。Cu對(duì)B2→B19相變溫度影響不大，但使相變順序發(fā)生變化[4]。

1）Ni-Ti-Cu窄滯后形狀記憶合金。銅的加入抑制了合金MS溫度對(duì)成分的敏感性，且使相變滯后明顯變窄（4℃左右），如Ni50Ti30Cu20合金。合金對(duì)溫度場(chǎng)的反應(yīng)比較迅速，可以用于制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。

2）Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金。Ni-Ti-Nb合金在一個(gè)特征形變溫度（MS+30℃）和臨界形變量范圍（14%～20%）條件下變形，可有效地提高馬氏體的穩(wěn)定性，使相變滯后增大，同時(shí)應(yīng)變恢復(fù)率和恢復(fù)力仍維持較高水平，這種特性與Ni-Ti-Nb合金的形變馬氏體組織結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨罂蛇_(dá)150℃，用這種合金制作的連接緊固件可在室溫下存儲(chǔ)，工程應(yīng)用極為方便。

3）高溫形狀記憶合金。Ni-Ti合金的MS溫度一般低于100℃，通常只能在低于100℃的溫度下使用。但在相當(dāng)多的情況下，如防火裝置、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等要求的工作溫度一般較高，僅僅常溫下的形狀記憶合金遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足，為了擴(kuò)大記憶合金的應(yīng)用，需要發(fā)展高溫形狀記憶合金。我們采用合金化的方法，如添加貴金屬鈀、金和鉑來(lái)代替鎳或者添加鉿和鋯來(lái)代替鈦來(lái)提高相變溫度。

3 Ni-Ti形狀記憶合金薄膜

用濺射法制備N(xiāo)i-Ti合金薄膜，在襯底溫度低于200℃時(shí)，所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶態(tài)，不顯示形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)過(guò)400℃以上溫度晶化處理后，才能獲得形狀記憶效應(yīng)。與體材料類(lèi)似，Ni-Ti薄膜冷卻時(shí)也發(fā)生R相變和B19馬氏體相變。

Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的優(yōu)勢(shì)在于它的響應(yīng)速度快、做功輸出能力高，且集傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能。由于B2→R相變的相變滯后較窄，對(duì)溫度場(chǎng)的響應(yīng)較快，適合于制作微驅(qū)動(dòng)器[5]。且在恒壓力作用下，Ni-Ti合金薄膜的Ms溫度和可恢復(fù)應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著提高，隨后達(dá)到某一穩(wěn)定值。而且，富鎳Ni-Ti合金薄膜在經(jīng)約束時(shí)效后可獲得良好的雙程形狀記憶效應(yīng)[6]。

4 Ni-Ti形狀記憶合金的發(fā)展

我們除了在Ni-Ti中加入常規(guī)第三組元來(lái)改善Ni-Ti的性能外，也可考慮在Ni-Ti中加入稀土元素來(lái)發(fā)展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形狀記憶合金基體中分別通過(guò)碳熱還原法和真空固滲法加入稀土Ce或Sm元素，形成稀土鎳金屬間化合物滲層，強(qiáng)化了Ti-Ni形狀記憶合金的表面，并使Ni-Ti合金的線(xiàn)性回復(fù)性能得以改善。但由于熔煉時(shí)不可避免坩堝的雜質(zhì)滲入到熔體，所以稀土元素對(duì)記憶合金的作用還有待進(jìn)一步研究[8]。

目前，形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用已有很多。工程上，可用在機(jī)械工業(yè)、自控和儀表工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、兵器工業(yè)、航空和航天工業(yè)等方面。圖2為Ni-Ti合金在緊固銷(xiāo)上應(yīng)用的一個(gè)例子。這是形狀記憶合金一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，從外部不能接觸到的地方可以利用這種方法，是其他材料無(wú)法替代的。可應(yīng)用于原子能工業(yè)、真空裝置、海底工程和宇宙空間工程等處。

圖2

在醫(yī)學(xué)上，主要使用的還是Ni-Ti合金，它對(duì)生物材料有較好的相容性，可以埋入人體做移植材料。從功能方面考慮，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是利用其形狀恢復(fù)功能。例如，在心臟、下肢和骨盆靜脈中形成的血栓被剝離后，會(huì)通過(guò)血管游動(dòng)到肺部發(fā)生肺栓塞，一般我們需要使用抗凝劑或者進(jìn)行外科手術(shù)，但這兩種方法都不是太安全，這時(shí)我們將一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的馬氏體Ni-Ti直絲植入體內(nèi)，由于體溫的作用，使其變成復(fù)雜的母相過(guò)濾器形狀，來(lái)阻擋凝結(jié)物進(jìn)入心臟、肺。

5 結(jié)論

形狀記憶合金薄膜可能會(huì)成為未來(lái)機(jī)器人和機(jī)械手的理想材料，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。

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作者簡(jiǎn)介

吳怡（1992-），女，漢族，河南安陽(yáng)人，本科，單位：鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè)，研究方向：金屬材料。endprint