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形状记忆合金
摘要：自形状记忆效应被发现以来，人们越来越重视其神奇的记忆功效。作为被最早开发的形状记忆材料，形状记忆合金在我们日常生活和生产中发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍了形状记忆合金的定义、优缺点、机理、发展史及其在各领域的应用以及未来的一些发展趋势。
关键词：形状记忆合金机理优缺点发展应用
一、前言
有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称为SMA),这种能力亦称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称为SME)。通常,SMA低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl和CuAlNi)。
二、正文
1、形状记忆合金的定义
形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,SMA）是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外，这种合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性”，英文pseudoelasticity）行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。
2、形状记忆合金的记忆效应机理

a)单程SMEb)双程SMEbtpsfa为SMEcdcjc为伪弹性
图1形状记忆效应示意图图2形状记忆合金应力—应变—温度关系示意图
图1直观地示意出合金的形状记忆效应。在T1温度下,将原来SMA直棒弯曲变形后,加热至T2,弯曲棒便逐渐自动变直回冷至T1,棒仍保持直的形状。合金的这种在某种条件下经任意方式的塑性变形,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T2冷至T1时,SMA棒复又自动弯曲,从而随T2≒T1热循环,棒的形状亦发生直≒弯循环现，象,这种现象称为双程SME,如图2b所示。可见,合金的SME是在应力(σ)———应变(ε)———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≒M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<Md时,其应力———应变行为如图2中cdijc所示,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,即合金形状随加载变化,随卸载恢复。因为σ—ε呈非线性,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<Td<Md,呈现伪弹性;As<Td<Af为伪弹性与SME共有区;Td<As呈现SME。然而,近年来研制的一些SMA不论任何温度变形,都不呈现伪弹性。应予指出,与钢在马氏体状态相反,SMA在马氏体状态很软,故变形非常容易。
3、形状记忆合金的记忆效应分类
（1）单程记忆效应：
形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
（2）双程记忆效应：
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
（3）全程记忆效应：
加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。
在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系
4、形状记忆合金的发展史
最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年