浅谈形状记忆合金力学性能及其工程应用

【摘 要】与一般的金属材料相比较，形状记忆合金具有形状记忆效应和伪弹性等特殊的力学性能，近年来在科学研究和工程应用领域一直是关注的热点。文章介绍了材料的这两种力学性能并对其产生的机理从微观结构层面进行了阐述。此外，还介绍了形状记忆合金在采矿工程，航空航天以及生物医学等实际工程中的应用。

【关键词】形状记忆合金;力学性能;工程应用

一、性能介绍

形状记忆合金（Shape Memory Alloy），简称SMA，自1963年在美国海军实验室被发现以来，如今已经在机械，航空航天，生物医学等诸多领域都得到了广泛地研究和应用。SMA一般分为镍钛系，铜系和铁系三大类。

顾名思义，形状记忆合金是具有记忆效应的特殊合金材料，实际上除了形状记忆效应SMA还具有伪弹性，形状记忆合金含有以上两个力学性质。一般金属受到外力产生弹性变形，随着继续加载，金属在达到屈服点之后将产生不可恢复的塑性变形，应力去除之后材料不能恢复到原来的初始状态。但是如果将产生塑性变形的金属加热到一定温度之上，材料就能恢复到产生变形之前的状态（恢复变形可达8%的应变量）这就是所谓的形状记忆效应。所谓伪弹性，即当温度高于奥氏体的转换温度（此温度不存在马氏体），加载的应力超过弹性极限的时候，材料产生非弹性变形且稳定存在于该应力水平的持续作用下，一旦应力消除即使不采用加热的方式材料也能恢复到变形状态前的性质。综上，在SMA中马氏体相变不仅由温度引起，应力也可以诱发马氏体相变。二者在本质上是一致的，伪弹性是在加载过程中产生应力诱导的马氏体相变，当外力消失后发生马氏体逆相变回到原来的状态，而形状记忆效应则是通过加热产生马氏体逆相变回到原来的状态。

下面从材料结构和微观组织方面更进一步介绍。形状记忆合金是具有马氏体相和奥氏体相且二者能相互转化的两相材料。马氏体是铁碳合金从高温奥氏体（具有面心立方结构）经过急冷淬火后会变得比较硬，经过抛光浸蚀后在显微镜下观察到的致密组织，其结构是基于奥氏体立方结构某一个面上原子联动所引起的切变型晶格的斜方结构。马氏体开始相变的温度记为Ms，终了温度以Mf表示。在加热过程中，奥氏体相变开始的温度用As表示，终了温度为Af。一般的AsMs，AfMf。根据马氏体相变温度与奥氏体相变温度之差（As-Ms）以及马氏体的生长方式可分为：热弹性马氏体相变和非热弹性马氏体相变。非弹性马氏体相变其相变温度一般较大，各个马氏体基本上瞬间就生长到最终的大小且不会随温度的降低而继续生长。热弹性马氏体相变的相变温度之差较非热弹性马氏体相变小，冷却过程中形成的马氏体会随着温度的变化而继续生长。形状记忆合金相变即属于热弹性马氏体相变。

二、工程应用

SMA的这些特殊性质吸引了学者和工程师们的兴趣。在研究领域，学者们想从更微观的领域去揭示产生这些性质的原因;在电子显微镜的观察下，当SMA产生相变时，伴随着条带状马氏体的产生。根据此现象，人们提出了含有微观层状结构的模型来描述SMA的性质，还有一部分把马氏体看成是杂质嵌入到奥氏体当中，从而建立了相应的夹杂模型来对材料进行描述。上述介绍的方法都能够计算模拟实验中观察到的现象。

在工程领域，工程师们则根据不同的工作环境和实际需求扩大SMA的应用。例如用在采矿工程中，由于煤层自然发火产生的一氧化碳与温度呈现良好的线性关系，即一氧化碳的浓度升高伴随着温度的升高。联想到SMA与温度相关的性质，利用含有SMA部件的报警装置检测煤层中气温的变化可以对煤矿火灾防护进行预测，一旦超过临界温度产生相变变形，随即触发报警装置进行报警。此外，利用SMA制造的温度保险器与普通的熔断保险丝相比具有一定的优势。其工作原理如下：当温度升高到相变温度时，SMA要恢复变形，利用变形工程中产生的较大拉力拉断接点，所以具有明显的消弧效应，适用于做煤矿中大功率，高电压保险器。

在航空航天领域，有利用SMA制作的太阳能翻板，其记忆效应的温度为常温（25℃），在高于常温时将其制作成太阳能翻板（展开状态），然后将其冷却到室温以下其将其折叠起来，这样可以方便的安置在航天器中以节省空间，一旦将其送至太空，经过太阳辐射温度将一直大于25℃，此时产生马氏体逆相变使太阳能翻板打开进行正常的工作。类似的应用还包括航空航天中常用的天线，螺母等零部件，以上均利用SMA的记忆效应。

在生物力学领域以镍钛合金为例，这种材料在接骨板和其上的螺钉中得到了应用，以其接近骨头的弹性模量，良好的生物相容性，避免了在断裂骨头的愈合过程中造成的应力集中，延缓愈合的缺点，较其它合金类的材料有明显的优势。其它方面的应用如：牙齿矫正，记忆合金的眼镜框（发生变形放到热水里就能恢复原样），血管支架等等。

此外，如果SMA用于汽车的车身的制作，一旦发生碰撞等情况，只需要对产生变形的部位进行气流加热，汽车就能恢复到碰撞前的状态，这样能极大地减少该类事故所造成的损失。

综上，在科学研究领域，如何从微观更准确的描述形状记忆合金的力学性能;在工程应用领域，如何更广泛，更方便地应用形状记忆合金所构成的元器件为工程服务等等，将成为学者和工程师们继续研究的问题和方向。

三、结语

本文详细介绍了形状记忆合金的形状记忆效应和伪弹性，并从材料的马氏体和奥氏体所构成的微观结构层面对其具有的性质进行了分析说明。根据形状记忆合金特殊的力学性能以及由此所衍生出的传感和驱动等性质，分别介绍了其在采矿工程，航空航天以及生物医学等实际工程领域中的应用。