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形状记忆合金形状记忆合金主要内容形状记忆效应:具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料),在某一温度下(处于马氏体状态Mf)进行一定限度的塑性变形后,通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消失温度Af)上时,材料恢复到变形前的初始形状。形状记忆效应原理形状恢复完全可逆需具备以下条件:随着形状记忆材料研究的不断深入,发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。温度场可以诱导形状记忆效应,磁场、应力场等也可诱导马氏体相变,出现形状记忆效应。合金成分TiNi合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆性能最好的合金材料。TiNi合金强度高、塑性大、耐蚀性好、稳定性好,具有优异的生物相容性在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的形状记忆合金的经济性是一个重要因素。Cu基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等都比TiNi合金差,但价格仅为TiNi合金的l/10,在性能要求不高、反复使用次数少,特别是要降低成本的情况下使用;Fe基合金价格低,加工性能好,力学强度高,在应用方面具有明显的竞争优势,但其形状记忆效应不是很好。形状记忆效应(a)马氏体状态下未变形没放入热水前图13TiNi合金的全程记忆效应(100℃-室温)形状记忆处理TiNi合金单程形状记忆处理☞低温处理是在高于800℃的温度下保温后进行完全退火,然后在室温下制成特定形状,在200-300℃的低温下保温一定时间,以记忆其形状的方法。由于在完全退火的软状态下进行加工,有利于合金记住复杂形状或曲率很小的形状。☞时效处理是一种在800-1000℃温度下固溶处理后进行淬火,然后在400-500℃的温度下进行几小时时效处理的方法。只对Ni含量高于50.5at%的富Ni合金有效。TiNi合金双程记忆处理TiNi合金全程记忆处理改变合金成份的配方比例,可以调节记忆合金的唤醒温度。例如在制造NiTi记忆合金时,如使两种成分对半掺,唤醒温度为80℃,如把Ni的配合比例减少千分之一,而将Ti增加千分之一,则唤醒温度降为70℃,当NiTi之比为45.5∶54.3时,唤醒温度恰巧是0℃。在TiNi合金中掺杂Au或Pt可以显著提高合金的相变温度,使之成为高温形状记忆合金,加入Nb可以使相变热滞增大到140℃,而加入Cu后相变热滞则锐减至4℃。另一方面,随着材料先进制备技术的飞速发展,纳米化处理也越来越多地应用于形状记忆合金中。形状记忆合金使用中的问题形状记忆合金要避免过热,即在形状记忆合金受约束状态下,不要达到比Af点高很多的温度。线圈过热,相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力,合金的形状记忆特性变坏。合金长时间置于高温,产生不能完全记住该温度下形状的现象,即记忆力减退。当TiNi合金和CuZnAl合金长时间分别置于250℃和90℃以上的温度时,不管载荷大小如何,都出现不良影响。工业应用连接件和紧固件密闭中空结构件中很难进行紧固操作,形状记忆紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。医学应用经过试验观察覆膜形状、覆膜组织、埋植周围的骨骼和肌肉状态以及接骨板的耐腐蚀性发现:TiNi合金的生物相容性很好,在医学领域具有巨大的应用价值。矫治牙颌畸形,通常利用金属丝材进行矫正。牙齿矫形用金属丝有不锈钢丝和CoCr合金丝,这些材料具有弹性模量高、弹性应变小,微小变形可获得很大的矫正力,对患者造成疼痛和不适,同时还容易产生塑性变形。利用NiTi形状记忆合金的超弹性使得在加载和卸载过程中压力恒定,即使应变高达10%也不会产生塑性变形。应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性,即使应变增大,矫正力却增加很少,永久应变远远小于不锈钢丝,在大变形范围内可持续释放比其他材料更加恒定的矫正力。NiTi矫形丝不仅操作简便,而且疗效也好,可减轻患者的不适感。1980年,中国就开始研制NiTi合金矫形丝,北京有色金属研究总院与北京口腔医院合作,研制出NiTi合金牙弓丝,称为“中国NiTi牙弓丝”。此外,NiTi形状记忆合金还可用做牙根种植体、Ω形脊柱人造关节、NiTi合金聚髌器、接骨用骑缝钉、锯齿臂环抱固定器、人工心脏用人造肌肉、血栓过滤器、冠状动脉内支架等等。日常生活利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温,在热水温度过高时通过“记忆”功能,调节或关闭供水管道,避免烫伤。法国巴黎用形状记忆合金制造城市照明灯,有两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。白天,路灯熄灭,叶片合上;傍晚之后,叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开,让灯泡显露出来进行照明。形状记忆合金在自动收进烟头的烟灰缸、为调整头发受力通过加热温度改变卷发管径的卷发轴环、眼镜、儿童玩具等上也有不少应用。未来形状记忆合金的材料研究将向高温、低温、宽滞后、窄滞后、双程、全程、色调记忆等方向发展,工艺研究将向低成本、微型化加工、高质量、多品种的目标迈进