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        記憶彈簧-鎳鈦記憶合金彈簧的基礎知識


        記憶彈簧-鎳鈦記憶合金彈簧的基礎知識

        目前已開發成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。最早關于形狀記憶效應的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。后來在Cu-Zn合金中也發現了同樣的現象,但當時并未引起人們的廣泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應,才引起了材料科學界與工業界的重視。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發現了與馬氏體相變有關的形狀記憶效應。幾十年來,有關形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題,并為此召開了多次專題討論會,不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時,形狀記憶合金的應用研究也取得了長足進步,其應用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫療等許多領域。

        近年來,形狀記憶合金的應用領域不斷擴大。例如,已做成噴氣戰斗機的液壓系統導管;利用低質能源的固體發動機;航天工程上的可折疊宇航天線;醫學上用的牙齒整畸弓絲;矯正脊椎骨的哈氏棒;電器工業上的自動觸頭,保安裝置;控制上的熱敏元件,溫度開關;直至玩具和生活用品。

        形狀記憶合金的熱處理主要是圍繞其熱彈性馬氏體相變而展開的。形狀記憶效應的含義是:某些具有熱彈性馬氏體相變動合金材料,在馬氏體狀態,進行一定限度的變形或變形誘發馬氏體后,則在隨后的加熱過程中,當溫度超過馬氏體相消失的溫度時,材料能完全恢復到變形前的形狀和體積。

        馬氏體相變最初是在鋼中發現的現象,并作為鋼的熱處理技術基礎加以研究;而形狀記憶合金的記憶效應則是靠材料中發生熱彈性馬氏體相變所產生的,它已成為馬氏體相變領域中占據首要地位的研究課題,并開辟了馬氏體應用研究的新領域,F在研究較多的有Ti-Ni,Au-Cd,Cu-Zn,Ag-Cd,Ni-Al,Co-Ni,Fe-Ni等十數個系列。馬氏體相變是一種固態相變,是一種偽切變引起原子短程擴散的相變。通過對形狀記憶合金的研究,認為只有在具備馬氏體相變是熱彈性的及馬氏體屬于對稱性低的點陣結構,而母相晶體為對稱性較高的立方點陣結構,并且大都是有序的等條件時才會有記憶效應。

        記憶彈簧分類及應用

        形狀記憶合金可以分為三種:

        (1)單程記憶效應.形狀記憶合金在較低的溫度下變形,加熱后可恢復變形前的形狀,這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。

        (2)雙程記憶效應.某些合金加熱時恢復高溫相形狀,冷卻時又能恢復低溫相形狀,稱為雙程記憶效應。

        (3)全程記憶效應.加熱時恢復高溫相形狀,冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀,稱為全程記憶效應。

        形狀記憶合金的具體應用:

        到目前為止,發現具有形狀記憶效應的合金有20余種,但得到實際應用四只百Ni-Ti和Cu-Zn-Al系合金。前者抗蝕性好。疲勞壽命高,適用于人體植入、生物、航天及原子工程。后者價格低廉(僅為前者的1/10),加工性能好,可普遍應用于各領域。

        (1)利用單程形狀記憶效應的單向形狀恢復。如管接頭、天線、套環等。

        (2)外因性雙向記憶恢復。即利用單程形狀記憶效應并借助外力隨溫度升降做反復動作,如熱敏元件、機器人、接線柱等。

        (3)內因性雙向記憶恢復。即利用雙程記憶效應隨溫度升降做反復動作,如熱機、熱敏元件等。但這類應用記憶衰減快、可靠性差,不常用。

        (4)超彈性的應用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。

        (5)醫學應用。TiNi合金的生物相容性很好,利用其形狀記憶效應和超彈性的醫學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內針、人工關節、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。

        記憶彈簧熱處理工藝

        具有形狀記憶效應的合金稱為記憶合金,其形狀記憶效應產生的主要原因是相變。大部分形狀記憶合金的相變是具有可逆性的熱彈性馬氏體相變,而溫度和應力是熱彈性馬氏體相變的兩個獨立變量,因此,形狀記憶合金的熱處理是影響其形狀記憶效應的關鍵因素之一。熱處理工藝主要有以下幾個方面。

        1. 淬火熱處理

        母相(奧氏體)經高溫迅速淬火會受到淬火空位和位錯的交互作用而強化。溫度越高強化也更為顯著,淬火冷卻速度增如也會強化母相,但過分強化又會影響馬氏體轉變的進行,從而影響記憶回復轉變,一般要根據不同材料而選擇不同的淬火介質。

        2.熱預變形處理

        為了強化母相(奧氏體)提高滑夠變形的抗力,但同時又不能使馬氏體相變發生因難,除了合金元素的作用之外,熱預變形也是一種有效的方法,即在高溫獲得奧氏體相后,再在高于Ms點以上溫度進行熱預變形,則既可以使母相奧氏體得到強化,同時又不產生馬氏體,從而使合金的記憶效應得到明顯提高。但熱預變形溫度過高會產生相反影響,使母相強度下降。在應變過程中產生滑移,從而降低記憶效應。同樣,熱預變形時應變量過大,會使母相內缺陷增多而降低記憶效應。

        3. 循環熱處理

        形狀記憶合金在某一溫度范圍內進行多次循環熱處理,然后在室溫下變形,則在回復溫度下可具有不同程度的雙向記憶效應。但時效及約束時效是指對合金施加一定的時效,也是誘發和改善雙向形狀記憶效應的好方法。

        例如:

        1.儲氫合金的熱處理

        氫作為未來世界最好的二次能源,已越來越受到人們的廣泛的關注。即使是在能源自足的當代,使用氫能源也有利于地球的環境保護,減小溫室效應的威脅。氧的開發、運輸、能源轉換等一系列理論和技術問題都需要解決,儲氫合金就是在這種情況下產生的。

        金屬氫化物按其氫鍵的性質可分為三類:共價鍵、離子鍵和金屬鍵。儲氫合金的顯微組織和力學性能(硬度)均不同程度地影響其儲氫特性。因此,儲氫合金熱處理的目的就在于通過改善其組織來提高其儲氫性,主要有以下幾類。

        l>凝固時的快淬熱處理

        凝固時的快速冷卻(30m/s的銅輪或水冷銅鑄型)可以得到細小的柱狀晶組織,從而使儲氫合金P-C-T曲線的氫壓平臺傾斜減小,循環壽命和水利化速度也大為提高。這是因為眾多的晶界可釋放點陣應力,緩解吸氫的體積變化,并可作為吸放氫時的擴散通道,從而提高了活化速度。同時,快速冷卻也抑制了化學成分的不均勻性,改善了原子的有序性。

        2>低溫去應力熱處理

        儲氫合金在凝固時快速冷卻會導致組織中形成大量晶體缺陷和硬度升高,對其進行低溫處現理可消你快淬點陣缺陷,降低合金的硬度,提高其韌性,抑制粉化和崩裂,從而提高合金和循環壽命。

        3>高溫擴散處理

        鑄態下的儲氫合金組織是不均勻的,存在著成分偏聚區。高溫擴散處理有利于基體相的成分均勻化,從而減緩循環容量的衰減,提高循環壽命。

        2.金屬間化合物材料的熱處理

        金屬間化合物主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬形成的化合物,各元素間既有化學計量的組分,但其成分又可在一定范圍內變化而形成以化合物為基的固熔體。金屬間化合物以其介于金屬和阿瓷間的優異性能,而成為新型結構材料的重要分支,并獲得廣泛的應用。

        熱處理的目的在于獲得某種有序結構,以改善其塑性和韌性。主要有如下幾種處理方式。

        1>高溫均勻化退火 鑄態下的金屬間化合物一般存在著成分偏析和鑄造應力,高溫均勻化退火就是要消除鑄造應力并使合金元素進一步擴散均勻,為下一步處理奠定良好的基礎,該種處理一般在1000℃以上要持續十幾個小時。

        2>油淬 為了增加金屬間化合物的室溫韌性,常常將其加熱到晶形轉變或相變溫度,然后放入油中進行淬火處理,如對Fe-Al金屬間化合物的典型處理工藝為:加熱至1000℃,保溫5h,然后置入700℃油中冷卻。

        3>形變熱處理 這是目前為增加金屬間化合物韌性而進行的最有效的處理方式,主要是通過鍛造、軋制、擠壓等熱形變處理,使其組織結構發生有利于增加韌性的方向轉變。

        金屬間化合物的室溫脆性問題一直是困擾這類材料應用的一個問題。同一成分的合金,由于加工方法不同及工藝參數的改變,最終的顯微組織和力學性能可能相差甚遠,在金屬間化合物的制備中廣泛采用了熱機械處理工藝,采用這種方法能夠得到一般加工處理所達不到的高強度與高塑性良好配合的產品。


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