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记忆弹簧-镍钛记忆合金弹簧的基础知识


记忆弹簧-镍钛记忆合金弹簧的基础知识

目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。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,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步,其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

近年来,形状记忆合金的应用领域不断扩大。例如,已做成喷气战斗机的液压系统导管;利用低质能源的固体发动机;航天工程上的可折叠宇航天线;医学上用的牙齿整畸弓丝;矫正脊椎骨的哈氏棒;电器工业上的自动触头,保安装置;控制上的热敏元件,温度开关;直至玩具和生活用品。

形状记忆合金的热处理主要是围绕其热弹性马氏体相变而展开的。形状记忆效应的含义是:某些具有热弹性马氏体相变动合金材料,在马氏体状态,进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后,则在随后的加热过程中,当温度超过马氏体相消失的温度时,材料能完全恢复到变形前的形状和体积。

马氏体相变最初是在钢中发现的现象,并作为钢的热处理技术基础加以研究;而形状记忆合金的记忆效应则是靠材料中发生热弹性马氏体相变所产生的,它已成为马氏体相变领域中占据首要地位的研究课题,并开辟了马氏体应用研究的新领域。现在研究较多的有Ti-Ni,Au-Cd,Cu-Zn,Ag-Cd,Ni-Al,Co-Ni,Fe-Ni等十数个系列。马氏体相变是一种固态相变,是一种伪切变引起原子短程扩散的相变。通过对形状记忆合金的研究,认为只有在具备马氏体相变是热弹性的及马氏体属于对称性低的点阵结构,而母相晶体为对称性较高的立方点阵结构,并且大都是有序的等条件时才会有记忆效应。

记忆弹簧分类及应用

形状记忆合金可以分为三种:

(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。

形状记忆合金的具体应用:

到目前为止,发现具有形状记忆效应的合金有20余种,但得到实际应用四只百Ni-Ti和Cu-Zn-Al系合金。前者抗蚀性好。疲劳寿命高,适用于人体植入、生物、航天及原子工程。后者价格低廉(仅为前者的1/10),加工性能好,可普遍应用于各领域。

(1)利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。

(2)外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作,如热敏元件、机器人、接线柱等。

(3)内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作,如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差,不常用。

(4)超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。

(5)医学应用。TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

记忆弹簧热处理工艺

具有形状记忆效应的合金称为记忆合金,其形状记忆效应产生的主要原因是相变。大部分形状记忆合金的相变是具有可逆性的热弹性马氏体相变,而温度和应力是热弹性马氏体相变的两个独立变量,因此,形状记忆合金的热处理是影响其形状记忆效应的关键因素之一。热处理工艺主要有以下几个方面。

1. 淬火热处理

母相(奥氏体)经高温迅速淬火会受到淬火空位和位错的交互作用而强化。温度越高强化也更为显著,淬火冷却速度增如也会强化母相,但过分强化又会影响马氏体转变的进行,从而影响记忆回复转变,一般要根据不同材料而选择不同的淬火介质。

2.热预变形处理

为了强化母相(奥氏体)提高滑够变形的抗力,但同时又不能使马氏体相变发生因难,除了合金元素的作用之外,热预变形也是一种有效的方法,即在高温获得奥氏体相后,再在高于Ms点以上温度进行热预变形,则既可以使母相奥氏体得到强化,同时又不产生马氏体,从而使合金的记忆效应得到明显提高。但热预变形温度过高会产生相反影响,使母相强度下降。在应变过程中产生滑移,从而降低记忆效应。同样,热预变形时应变量过大,会使母相内缺陷增多而降低记忆效应。

3. 循环热处理

形状记忆合金在某一温度范围内进行多次循环热处理,然后在室温下变形,则在回复温度下可具有不同程度的双向记忆效应。但时效及约束时效是指对合金施加一定的时效,也是诱发和改善双向形状记忆效应的好方法。

例如:

1.储氢合金的热处理

氢作为未来世界最好的二次能源,已越来越受到人们的广泛的关注。即使是在能源自足的当代,使用氢能源也有利于地球的环境保护,减小温室效应的威胁。氧的开发、运输、能源转换等一系列理论和技术问题都需要解决,储氢合金就是在这种情况下产生的。

金属氢化物按其氢键的性质可分为三类:共价键、离子键和金属键。储氢合金的显微组织和力学性能(硬度)均不同程度地影响其储氢特性。因此,储氢合金热处理的目的就在于通过改善其组织来提高其储氢性,主要有以下几类。

l>凝固时的快淬热处理

凝固时的快速冷却(30m/s的铜轮或水冷铜铸型)可以得到细小的柱状晶组织,从而使储氢合金P-C-T曲线的氢压平台倾斜减小,循环寿命和水利化速度也大为提高。这是因为众多的晶界可释放点阵应力,缓解吸氢的体积变化,并可作为吸放氢时的扩散通道,从而提高了活化速度。同时,快速冷却也抑制了化学成分的不均匀性,改善了原子的有序性。

2>低温去应力热处理

储氢合金在凝固时快速冷却会导致组织中形成大量晶体缺陷和硬度升高,对其进行低温处现理可消你快淬点阵缺陷,降低合金的硬度,提高其韧性,抑制粉化和崩裂,从而提高合金和循环寿命。

3>高温扩散处理

铸态下的储氢合金组织是不均匀的,存在着成分偏聚区。高温扩散处理有利于基体相的成分均匀化,从而减缓循环容量的衰减,提高循环寿命。

2.金属间化合物材料的热处理

金属间化合物主要是指金属元素间、金属元素与类金属形成的化合物,各元素间既有化学计量的组分,但其成分又可在一定范围内变化而形成以化合物为基的固熔体。金属间化合物以其介于金属和阿瓷间的优异性能,而成为新型结构材料的重要分支,并获得广泛的应用。

热处理的目的在于获得某种有序结构,以改善其塑性和韧性。主要有如下几种处理方式。

1>高温均匀化退火 铸态下的金属间化合物一般存在着成分偏析和铸造应力,高温均匀化退火就是要消除铸造应力并使合金元素进一步扩散均匀,为下一步处理奠定良好的基础,该种处理一般在1000℃以上要持续十几个小时。

2>油淬 为了增加金属间化合物的室温韧性,常常将其加热到晶形转变或相变温度,然后放入油中进行淬火处理,如对Fe-Al金属间化合物的典型处理工艺为:加热至1000℃,保温5h,然后置入700℃油中冷却。

3>形变热处理 这是目前为增加金属间化合物韧性而进行的最有效的处理方式,主要是通过锻造、轧制、挤压等热形变处理,使其组织结构发生有利于增加韧性的方向转变。

金属间化合物的室温脆性问题一直是困扰这类材料应用的一个问题。同一成分的合金,由于加工方法不同及工艺参数的改变,最终的显微组织和力学性能可能相差甚远,在金属间化合物的制备中广泛采用了热机械处理工艺,采用这种方法能够得到一般加工处理所达不到的高强度与高塑性良好配合的产品。


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