形狀記憶合金及其研究進(jìn)展綜述

王 碩 王元昊

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255049）

形狀記憶合金（shape memory alloys,SMA）是指具有形狀記憶效應(yīng)的合金。除了形狀記憶效應(yīng)外，形狀記憶合金還具有超彈性、生物相容性、高阻尼性能以及良好的耐磨性、疲勞性能，因此形狀記憶合金廣泛的應(yīng)用于航空航天、建筑工程、機(jī)械工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。

1 形狀記憶合金的發(fā)展歷程

1932 年，形狀記憶效應(yīng)在金鎘合金中首次被瑞典科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。1963 年，美國(guó)科學(xué)家比勒在做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)將鎳鈦合金在高溫下做成彈簧，然后在低溫時(shí)施加應(yīng)力改變其形狀，比如將其拉直或鑄成長(zhǎng)方形圓形等形狀，再次對(duì)其加熱后，該合金又會(huì)恢復(fù)成為彈簧的形狀。到1969 年，NiTi-SMA 首次在工業(yè)上得到應(yīng)用，并于該年7 月20 號(hào)，形狀記憶合金被做成衛(wèi)星天線隨“阿波羅”11 號(hào)進(jìn)入了月球，用于傳輸?shù)厍蚺c月球之間的信息[2]。之后隨著科學(xué)家對(duì)形狀記憶合金研究的不斷深入，其應(yīng)用范圍也更加廣泛。

2 形狀記憶合金的分類

根據(jù)其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值分類，形狀記憶合金可被分為T(mén)i 基形狀記憶合金、Cu 基形狀記憶合金以及Fe 基形狀記憶合金[3]。Cu 基與Fe 基形狀記憶合金與Ti 基形狀記憶合金相比生產(chǎn)成本較低，但Cu 基形狀記憶合金晶粒較粗大，綜合力學(xué)性能較差且形狀記憶效應(yīng)不穩(wěn)定，F(xiàn)e 基形狀記憶合金雖易于加工，可焊性較好，但Ms 點(diǎn)較低且具有明顯的滯后現(xiàn)象因而限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用[3-4]。Ti 基形狀記憶合金雖生產(chǎn)成本較高，在再結(jié)晶溫度以下的加工性較差，但其形狀記憶效應(yīng)穩(wěn)定、綜合力學(xué)性能較好，還具有優(yōu)良的生物相容性，因此比Cu 基、Fe 基形狀記憶合金應(yīng)用更加廣泛[5]。

3 形狀記憶效應(yīng)的原理及熱處理工藝

3.1 原理

形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)是利用熱彈性馬氏體相變及應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變實(shí)現(xiàn)的。熱彈性馬氏體相變的低溫相與高溫相（母相）具有可逆性，該馬氏體隨溫度的降低不斷長(zhǎng)大，溫度回升后，馬氏體又逐漸變小，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)合金形狀的改變。應(yīng)力也可以誘發(fā)馬氏體發(fā)生相變，當(dāng)施加應(yīng)力時(shí)馬氏體長(zhǎng)大，減少應(yīng)力時(shí)馬氏體減小，等應(yīng)力消失后，馬氏體也隨之消失，該種馬氏體叫做應(yīng)力彈性馬氏體[1]。

3.2 熱處理工藝

形狀記憶合金的熱處理工藝通常有低溫?zé)崽幚怼⒅袦責(zé)崽幚砑皶r(shí)效處理[6]。

低溫?zé)崽幚磉m合加工形態(tài)復(fù)雜的工件，但該種方法得到的合金的形狀記憶效應(yīng)穩(wěn)定性較差。因此實(shí)際熱處理過(guò)程中多采用中溫?zé)崽幚硪约皶r(shí)效處理，根據(jù)張昊等人的研究表明[7]，將形狀記憶合金先進(jìn)行850℃的固溶處理之后再進(jìn)行550℃的時(shí)效處理，可以細(xì)化晶粒[8]并得到高屈服強(qiáng)度、高彈性模量的形狀記憶合金。

4 形狀記憶合金的應(yīng)用

形狀記憶合金因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性以及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能而廣泛的應(yīng)用于建筑工程、航空航天、生物醫(yī)療、機(jī)械電子等領(lǐng)域。

4.1 機(jī)械工程領(lǐng)域

形狀記憶合金優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)可應(yīng)用于制造各類重要的機(jī)械零件如管道的連接件[6]，與螺栓相組合的墊圈，油田用封隔器，各類驅(qū)動(dòng)元件，汽車上的制動(dòng)原件等等。

4.2 生物醫(yī)療領(lǐng)域

因NiTi 形狀記憶合金具有優(yōu)良的生物相容性，因此該合金在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可用于制造牙齒矯正絲、食道支架、骨連接器、脊柱側(cè)彎矯形器等[9]。

4.3 建筑及航空航天領(lǐng)域

因形狀記憶合金具有高阻尼性能及偽彈性，因此形狀記憶合金可用于制造減震隔震裝置[6]。因?yàn)樾螤钣洃浐辖鹁哂行螤钣洃浶?yīng)，因此體積較大的衛(wèi)星天線也可以被輕易帶入太空，傳遞地球與月球之間的信息。

5 結(jié)論

雖然形狀記憶合金具有很多優(yōu)點(diǎn)，人們對(duì)于該合金的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但該合金仍有不少問(wèn)題需要人們系統(tǒng)，深入的研究改進(jìn)：

5.1 對(duì)于NiTi 形狀記憶合金，評(píng)價(jià)估量Ni、Ti 元素對(duì)人體的刺激作用，提高NiTi 形狀記憶合金與人體的相容性；

5.2 未形成形狀記憶合金的自動(dòng)化生產(chǎn)線，未實(shí)現(xiàn)該合金商品化生產(chǎn)[6]；

5.3 NiTi 形狀記憶合金生產(chǎn)成本較高，亟需研發(fā)一種生產(chǎn)成本較低且使用性能優(yōu)良的形狀記憶合金；

5.4 形狀記憶效應(yīng)過(guò)于依賴馬氏體相變[6]，限制了形狀記憶合金進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

形狀記憶合金是材料領(lǐng)域目前較為熱門(mén)的研究項(xiàng)目之一，世界各國(guó)專家都在不斷地深入研究，SMA 具有以下發(fā)展趨勢(shì)：

5.4.1 研發(fā)新的種類的形狀記憶合金，通過(guò)研發(fā)新的種類的形狀記憶合金或者改進(jìn)已有的形狀記憶合金來(lái)降低其生產(chǎn)成本，提高其使用性能，擴(kuò)大其在工業(yè)生活領(lǐng)域的應(yīng)用[5]；

5.4.2 深入研究形狀記憶合金的高阻尼性能及微觀機(jī)制；

5.4.3 建立形狀記憶合金自動(dòng)化生產(chǎn)線，促進(jìn)其商品化生產(chǎn)；

5.4.4 研究在不同溫度、應(yīng)力狀態(tài)下形狀記憶合金的力學(xué)性能，研發(fā)復(fù)合材料形狀記憶合金[6]。