[科普中国]-双程形状记忆效应

弹簧在加热温度超过Af时，压紧弹簧伸长；冷却到低于Mf时，它又自动收缩。再加热时，再次伸长。这个过程可以反复进行，弹簧显示出能分别记忆冷和热状态下原有形状的能力。双程形状记忆效应需要对合金进行一定训练后才能得到，也就是把记忆合金制作的元件在外加应力作用下，反复加热和冷却。当合金加热，恢复到它原来的形状时，即可输出力而做功。通常这种合金的双程记忆效应，配上偏置弹簧制成各种驱动器。

形状记忆效应形状记忆效应是指把具有某种形状的材料从高于某个临界温度的高温快冷，使之形成低温相，在此状态下变形，产生一定的残留应变后重新加热，超过某临界温度时发生逆相变并回复到原来形状的现象。例如，对于一此金属合金，在高温相(奥氏体相)时将其处理成一定形状并急冷下来，在低温相(马氏体相)状态下经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体逆相变会恢复到低温塑性变形前的形状。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。记忆材料包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料。1

退火温度对双程记忆效应的影响对冷轧NiTi合金试样经不同温度退火后，弯曲形变8%时测得的双程可逆应变量与退火温度的关系。当退火温度低于450℃时，随着退火温度的升高，双程可逆应变量略有上升。退火温度在450～550℃之间，双程可逆应变量随着退火温度的升高而显著增加。退火温度超过550℃时，温度继续升高，双程可逆应变量基本不变。退火温度对NiTi合金双程记忆效应的影响，与冷轧变形试样经不同温度退火后，母相中位错的分布及母相强度不同有关。退火温度较低时，母相中位错密度及材料强度较高，应力诱发马氏体再取向比较困难，双程形状记忆效应较差 。退火温度升高，母相中位错密度下降，母相强度降低，随后形变时，容易产生应力诱发马氏体再取向，并引入位错，使试样内部应力场发生变化，产生较好的双程形状记忆效应。

训练方法双程记忆效应需经过一段训练才能得到。训练方法有两种，用其中一种或两种并用均可。第一种方法是在Mf以上反复形变，即反复形成应力诱变马氏体(SIM)。卸去外力后，试样内部形成的应力状态使Mf以下的马氏体相变产生选择性，造成某些变体易于形成，另一些变体则不出现，在母相转变成马氏体时，也会伴有显著形变。这样，正向和逆向转变都伴有定向的形变，便可获得双程记忆效应。第种方法是形状记忆合金循环法(SME)。首先将合金经淬火形成马氏体，然后外加应力变形，再加热发生逆转变就会恢复原来形状，如此反复处理多次，这样也可获得双程记忆效应，若把SIM和SME联合使用会得到更好的效果。为了达到100%的可恢复率，应变量应限制在3%~9%之间，具体数值取决于不同的合金。实验表明，之所以有双程记忆效应，是因为合金中存在着方向性的应力场或晶体缺陷。相变时;马氏体容易在这种缺陷处形核，同时发生择优生长。2

形变量对双程记忆效应的影响通过观察NiTi合金在850℃退火试样在273K形变时，双程可逆应变量与弯曲形变量的关系。可以看出，双程可逆应变量随弯曲形变量的增加而增加，但形变量进一步增加到一定程度，双程可逆应变量呈下降趋势。由此可见，过大的形变量会损害合金的双程形状记忆效应。研究表明，在形变量小于12%的形变阶段，马氏体的主要形变方式表现为变体间的合并或再取向。试样经5%弯曲形变后马氏体变体间的界面在外力作用下发生迁移，界面弯曲，但马氏体变体间未失去明显的自协作关系。弯曲形变8%的样品，与弯曲形变5%样品相比，处于有利取向的变体吞并处于不利取向的变体，表明马氏体变体发生了再取向。12%弯曲形变后的样品中两个处于有利取向的变体已经基本吞并了夹在二者之间处于不利取向的变体，同时变体内部亚组织板条的合并和再取向程度也很大。变体A与变体B内部板条间的合并程度明显不同，变体A中较为剧烈；变体A和变体B内部板条间界面的迹线方向也并非平行，说明即使处于有利取向的变体内部板条在外力作用下也在不停地调整其取向，不难推测随着形变量的进一步增加，变体A与B会继续合并，融合到一起。大量的透射电镜观察结果表明，当弯曲形变量达到12%时，试样中马氏体变体的再取向基本完成。形变量超过12%后，变体间的界面推移变得较为困难，马氏体的变形方式发生变化，由变体间逐渐转移到变体内部，最突出的特点就是变体内部新型孪晶组织的出现。2

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学