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课程论文设计 金属材料热处理原理 题 目： 铁基形状记忆合金简述 院 系： 材料科学与工程学院 专 业： 金属材料成型加工 学 号： 20110800818 姓 名： 申澎洋 指导老师： 朱世杰 时 间 ： 2013 年 11 月 24 日 铁基形状记忆合金简述 申澎洋 （郑州大学 20110800818） 【摘要】铁基形状记忆合金(Fe-Based Shape Memory Alloy )是继镍钛基和铜基形状记忆合金之后的第三代形状记忆合金，由于其价格低廉、强度高、加工性能好、使用方便等优点引起广泛重视。铁基形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性取决于合金的马氏体相变特征，掌握铁基形状记忆合金的马氏体相变规律是开发和优化铁基形状记忆合金的前提。本文简要介绍了形状记忆效应（SEM） 的基本概念和形状记忆合金的发展。总结了铁基合金记忆效应的不同机理和影响马氏体相变的特征的各种因素，展望了铁基合金今后的研究方向和应用前景。 【关键词】铁基形状记忆合金 形状记忆效应 马氏体相变 一、引言 形状记忆材料是近几十年发展起来的一种新型功能材料。这种材料最主要的特征是具有形状记忆效应，即材料变形（通常在 MS 以下或者 MS 附近）后再经加热，如加热超过一定温度（如AS），材料就能恢复到它变形前的形状。形状记忆合金因其具有形状记忆性能和超弹性，目前已获得广泛应用。例如管接头，各种电器中的驱动器，手持话机天线，以及医学支架和导丝等。此外，记忆合金的 驱动和传感功能，还可用于微驱动器微机械和微型机器人等。 早在 1938 年，已发现 Cu-Zn 合金具有热弹性马氏体的特征；1948 年，苏联库尔久莫夫在其著名论文“马氏体相变”中预测了具有可逆相变的合金中会出 现热弹性马氏体。1931 年，张禄经和 Read 在 Au-Cd 合金中最早观察到形状记忆效应，直到 1963 年 Buehler 的课题组在 Ti-Ni 合金中发现了类似的形状记忆效应后，才真正引起很多科学家的重视。常见的形状记忆合金主要有三类，即Ti-Ni 基、Cu 基、Fe 基合金。Ti-Ni 基形状记忆合金具有优良的机械性能、抗腐蚀性能、和生物相容性而被认为是最好的生物材料之一，但是价格昂贵，且难于制备和加工。Cu 基形状记忆合金的主要包括 Cu-Al-Ni 和 Cu-Zn-Al 系，其优点是价格便宜和容易加工，缺点是过热容易分解为平衡相，并且容易产生马氏体稳 定化，以及双程形状记忆效应容易退化。Fe 基形状记忆合金主要有 Fe3Pt、Fe-Ni-Co 和 Fe-Mn-Si 系。 二、形状记忆效应机制 马氏体相变与形状记忆效应 马氏体相变是一种位移型、无原子扩散性转变，属于结构型相变，即材料相变时由一种晶体结构改变为另一种晶体结构。徐祖耀提出马氏体相变定义为：替换原子无扩散切变使其形状改变的相变; 其中相变泛指一级( 具有热量突变，如放热，和体积突变，如膨胀)、形核—长大型( 马氏体形成经形核和长大阶段) 相变。马氏体相变的主要特征是: 替换原子无扩散( 成分不改变，近邻原子关系不改变) ，切变( 母相和马氏体之间呈位向关系) 和形状改变( 抛光面显示浮突)。根据马氏体相变时的热力学特征，马氏体可分为: 热弹性马氏体，非热弹性马氏体，半热弹性马氏体。徐祖耀提出热弹性马氏体相变的判据为: ?临界相变驱动力小、热滞小; ?相界面能作往复( 正、逆) 牵动; ?形状应变为弹性协作，马氏体内的弹性存储能对逆相变驱动力做出贡献。满足这 3 个条件的为完全的热弹性相变; 部分符合上述判据的称为半热弹性马氏体相变。对具有半热弹性马氏体相变的材料，施加一定条件，可望得到完全的形状记忆效应，具有非热弹性马氏体相变的材料只显示有限的记忆效应。 形状记忆效应基本原理 在 Ti-Ni 基、Cu 基和 Fe 基形状记忆合金中，形状记忆行为产生的原因各不相同。就 Ti-Ni 基和 Cu 基形状记忆合金而言，主要是热弹性马氏体相变具有晶体学的可逆性以及不同马氏体间的自协调，而母相是有序的。转变方式可以是以孪晶为不变点阵切变 ( 形成全部为孪晶的亚结构) ，如 Ti-Ni 合金; 或以层错作为不变点阵切变，如 Cu-Zn-Al 合金。就 Fe 基形状记忆合金而言，如 Fe-Mn-Si，其母相为无序，马氏体转变也是非热弹性的，其形状记忆效应是通过应力诱发产生的 Shockley 不全位错的可逆移动导致的马氏体正逆相变。 三、铁基形状记忆合金分类 根据马氏体相变特征，可以把铁基形状记忆合金分成以下 3 类： ?Fe-Mn-Si 系；?Fe-Ni-Co-X 系；?Fe-Pt，Fe-Pd 系等。特征归纳见表 1. Fe-Mn-Si 系合金 铁基形状记忆合金中， Fe-Mn-Si 系合金是迄今为止应用前景最好的一种合金。Fe