金属学及热处理 教学课件 作者 杨秀英 第10章.pptVIP

应用它的物理和化学性能如光、电、磁、声、热等特性的各种材料。包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、形状记忆合金、功能陶瓷、功能纤维等。 ①按使用性能 微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏(智能)材料等。 ②按材料的化学键 功能性金属材料、功能性无机非金属材料、功能性有机材料和功能性复合材料。 ③按材料物理性质 磁性材料、电性材料、光学材料、声学材料、力学材料、化学功能材料等。 ④按功能材料的应用领域 电子材料、军工材料、核材料、信息工业用材料、能源材料、医学材料等。 合金似乎对初始形状有记忆性，这种现象称为形状记忆效应，具有形状记忆效应的金属或合金称为形状记忆合金。 它是通过热、光、电等物理刺激或化学刺激处理后，又可恢复成初始形状的，即无生命的材料却具有一定的“记忆”功能。 合金的形状记忆效应分为单程、双程和全程三种。 材料在较高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若将其加热到高温时，材料恢复高温下的形状，但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状，这是单程记忆效应； 若低温下材料仍能恢复低温下的形状，就是双程记忆效应； 而全程形状记忆合金在实现双程形状记忆过程后，继续冷却，会在相反的方向上再出现高温下的初始形状。 1. 形状记忆效应的产生和机理 形状记忆合金的形状记忆过程为：合金的母相在降温的过程中，温度低于Ms时发生马氏体相变，该过程无大量的宏观变形，当温度低于M f以下，对合金施加压力，马氏体通过界面移动，发生塑性变形；随着温度升高到马氏体逆转变的终了温度A f以上，马氏体逆向转变回合金母相，马氏体消失，即合金低温下的“塑性变形”消失，恢复原始形状，这就是典型的形状记忆效应。 主要机理之一是热弹性马氏体相变，即具有马氏体逆转变特性，且Ms 与As 相差很小的合金，将其冷却到M s点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，当温度回升时马氏体片又反过来随温度上升而同步缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体，随着温度的变化具有“弹性”特征。 形状记忆材料应具备如下条件：1）马氏体相变是热弹性的；2）马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或层错；3）合金母相为有序相。 2. 形状记忆合金的分类 可分为三大系列：Ti-Ni系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁基系形状记忆合金。 （1） Ti-Ni合金 近等原子比的Ti-Ni 合金（Ni 元素的质量分数含量为55%～56%）是应用最早的一种记忆合金。由于其具有优异形状记忆效应、高耐热性、耐蚀性、高强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物相容性、高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。但该合金原材料昂贵、制造工艺复杂、切削加工性不良、制作成本高。 （2） 铜基合金 铜基合金具有价格便宜、生产过程简单、形状记忆效应良好、电阻率小、加工性能好等特点，但长期或反复使用时，表现出记忆性能衰退现象。 采用如下方法可提高记忆性能：1）加入适量的稀土或Ti、Mn、V、B 等元素；2）采用粉末冶金或快速凝固等方法。 目前，已得到实际应用的铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn-Al、Cu-Al-Mn 和Cu-Al-Ni，其中Cu-Zn-Al合金应用较广。 （3）铁基合金 铁基形状记忆合金具有强度高、塑性好、价格便宜等优点，正在逐渐受到人们的重视。铁基系形状记忆合金的形状记忆效应既有通过热弹性马氏体相变来获得的，也有通过应力诱发ε马氏体相变(非热弹性马氏体)而产生形状记忆效应的。正在开发和研究的铁基记忆合金主要有Fe-Mn-Si系和Fe- Ni-Co-Ti 系。 3. 形状记忆合金的应用 形状记忆合金的应用领域很广，涉及到机械、航空航天、电子、能源、医学等。从精密复杂的结构件到较为简单的连接件、紧固件；从形状记忆合金发动机到过电流保护器；用作管道连接件，是记忆合金最大的一项用途。选用记忆合金制作连接管接头，可以防止用传统焊接方法所引起的组织变化，更适合于严禁明火的管道连接，而且操作简便，密封性能可靠。利用形状记忆合金在高温时弹性模量高，低温马氏体相状态下弹性模量较低的特性，可以将形状记忆合金制作成弹簧元件，使之具有双向动作功能，起到温度控制元件的作用。 3. 形状记忆合金的应用 此外，形状记忆合金还应用于电流断路器、自动干燥箱、空调机风向自动调节器、热机等。Ti-Ni 合金可应用于医学上的口腔牙齿矫形丝以及外科中各种矫形体、骨连接器、血管夹、血管扩张元件、凝血滤器等。 10.1.2 超导材料 1.超导材料定义 某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的