12第十二新型材料.pptVIP

第12章 新型材料 12.1 形状记忆合金 12.2 非晶态合金 12.3 超塑性合金 12.4 纳米材料 12.1 形状记忆合金 12.2 非晶态合金 12.3 超塑性合金 12.4 纳米材料 * * 12.1.1形状记忆效应 某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复变形前的形状和体积，这种现象称为形状记忆效应(Shape Memory Effect，SME)。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金(Shape Memory Alloy)。 形状记忆效应最早发现于20世纪30年代，但当时并没有引起人们的重视。1963年美国海军军械实验室在研究Ni—Ti合金时发现其具有良好的形状记忆效应，这引起了人们的重视并进行了集中研究。目前，形状记忆效应在生物医学领域得到了广泛应用。 12.1.2 形状记忆效应的机理 冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度Ms与加热时马氏体转变为母相的起始温度As之间的温度差称为热滞后。普通马氏体相变的热滞后大，在Ms以下马氏体瞬间形核瞬间长大，随温度下降,马氏体数量增加是靠新核心形成和长大实现的。而形状记忆合金中的马氏体相变热滞后非常小，在Ms以下升降温时马氏体数量减少或增加是通过马氏体片缩小或长大来完成的，母相与马氏体相界面可逆向光滑移动。 这种热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相变称为热弹性马氏体相变。 如图所示，当形状记忆合金从高温母相状态(a)冷却到低于Ms点的温度后，将发生马氏体相变(b)，这种马氏体与钢中的淬火马氏体不一样，通常它比母相还软，称为热弹性马氏体。在马氏体范围变形成为变形马氏体相(c)，在此过程 中，马氏体发生择优取向，处于与应力方向有利的马氏体片长大，而处于不利取向的马氏体被有利取向的吞并，最后成为单一有利取向的有序马氏体。将变形马氏体加热到A。以上，晶体恢复到原来单一取向的高温母相，随之其宏观形状也恢复到原始状态。经过此过程处理的母相再冷却到Ms点以下，又可记忆在(c)阶段的变形马氏体形状，这种合金称为双向形状记忆合金。 如果对母相施加应力，母相(a)直接形成变形马氏体相(c)，这一过程称为应力诱发马氏体相变。应力去除后，变形马氏体又变回该温度下的稳定母相，恢复母相原来的形状，应变消失，这种现象称为超弹性或伪弹性。 超弹性合金的弹性变形量最高可达20％，应力与应变之间的关系是非线性的。 形状记忆合金应具备以下3个条件： ①马氏体相变是热弹性类型的； ②马氏体相变通过孪生(切变)完成； ③母相和马氏体相均属有序结构。 12.1.3 形状记忆合金的应用 已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti—Ni系、铜系、铁系合金3大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ti—Ni系合金和铜系合金。 1．工程应用 主要用作：紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用作与温度有关的传感及自动控制。用做连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。预先将形状记忆合金管接头内径做成比待接管外径小4％，在Ms以下马氏体非常软，可将接头扩张插入管子，在高于A0的使用温度下，接头内径将复原。如美国Raychem公司用Ti—Ni记忆合金做F-14战斗机管接头，已使用了10万多个，至今均未发生漏油或脱落等事故。 用形状记忆合金做紧固件、连接件的优点是： ①夹紧力大，接触密封可靠，可避免由于焊接而产生的冶金缺陷； ②适于不易焊接的接头，如严禁明火的管道连接、焊接工艺难以进行的海底输油管道修补等； ③金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体； ④安装技术要求不高。 2．医学应用 利用Ti—Ni合金与生物体良好的相容性，可制造医学上的凝血过滤器、各种内腔支架、脊椎矫正棒、骨折固定板等。利用合金的超弹性可代替不锈钢做齿形矫正用丝等。 返 回 非晶态是指原子呈长程无序排列的状态。具有非晶态结构的合金称为非晶态合金，又称金属玻璃。通常认为，非晶态仅存在于玻璃、聚合物等非金属领域，而传统的金属材料都是以晶态形式出现的。 20世纪90年代后，大块非晶态合金的出现引起了人们的极大兴趣，非晶态合金已成为金属材料的一个新领域。早在20世纪50年代，人们就从电镀膜上了解到非晶态合金的存在。60年代发现用激光法可从液态获得非晶态的Au—Si合金，70年代后开始采用熔体旋辊急冷法制备非晶薄带，其中非晶态软磁材料发展较快，已能成批生产。 12.2.1 非晶态合金的制备——急冷 液态金属不发生结晶的最小冷却速度称为临界冷却速度。从理论上讲，只要冷却速度足够大(大于临界冷却速度)，所