形状记忆合金在机械工程中的研究与应用

摘要：本文主要从形状记忆合金的发现与发展、形状记忆合金的分类、形状记忆合金在机械工程中的应用、形状记忆合金在机械工程中应用的展望等方面做出了探讨。

关键词：形状记忆合金;机械工程;应用

1. 前言

随着我国科技的不断进步与发展，形状记忆合金的应用越来越广泛，本文就其在机械工程中的应用加以探讨。

2.形状记忆合金的发现与发展

纵观形状记忆合金的发展，与钢铁、铝合金等广泛使用的金属相比，形状记忆合金是一种具有感知和驱动能力的新型功能材料，其应用的最大价值在于“记忆”效应（Shape Memory Effect ，简称 SME）。“记忆”效应的发现最早要追溯到1932年，由瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到。合金的形状在某一温度下受外力被改变，当外力去除时，仍保持变形后的形状，但一旦加热到一定的跃变温度时，材料又可以自动回复到原来的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种特殊功能的合金称为形状记忆合金（Shape memory Alloy ，简称 SMA）。形状记忆效应是指形状记忆合金材料在完全母相状态下定型，然后冷却到一定温度形成完全马氏体，将马氏体在该温度下施加变形， 使它产生残余变形，如果从变形温度加热，伴随逆相变， 就可以使原来存在的残余变形消失，并回复到母相所固有的形状，仿佛合金记住了母相状态所赋予的形状。当马氏体变形后经逆相变， 能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应。有的材料经适当“ 训练” 后，不但对母相形状具有记忆，而且在再次冷却时能恢复马氏体变形后的形状，称为双程形状记忆效应。

形状记忆效应被发现之后，人们从未停止过对记忆效应微观原理的探索，并逐步利用这一特性来应用于特殊的场合。形状记忆合金最早应用于工业生产是在1969年，人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比对接管子外径略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。据外国资料介绍，美国的F-14战斗机使用了10万个以上的类似这样的接头来连接液压管道，从未发生过漏油、脱落或破损事故。应用最早也最广泛的形状记忆合金是镍钛形状记忆合金，但为了进一步提升合金其他方面的性能，诸如耐高温性能、抗疲劳性能等，人们向铁镍合金中不断尝试添加其他元素，从而进一步研究开发了钛镍铁、钦镍铜、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金。

3.形状记忆合金的分类

3.1 钛镍形状记忆合金

1963年，W. Buehler等人在美国海军武器实验室发现了钛镍形状记忆合金具有可逆马氏体相变导致形状记忆效应，随后引起了人们的极大兴趣，并很快得到应用。迄今为止，有TiNi形状记忆合金的研究仍在不断地开展，在一系列的国际会议上，如马氏体相变国际会议（ICOMAT）、欧洲马氏体相变会议（ECOMAT）、形状记忆与超弹性国际会议（SMST），形状记忆材料国际会议（SMM）等，都占有很大比重，在有关智能材料和结构方面的国际会议上也占有一定比重。现在，钛镍合金因其兼具新颖的形状记忆、优良的超弹性等力学性能以及抗化学腐蚀性能与出色的生物相容性能已被广泛地应用于土木、机械、控制、电子等工业领域以及医疗器械中。

3.2 铜基形状记忆合金

该类形状记忆合金主要分为Cu-Zn系和Cu-Al系两大类，并且这些铜基材料有一个共同点即母相为体心立方结构（BCC）。与Ni-Ti基记忆合金相比，Cu基记忆合金具有成本低廉的优势，其中Cu-Al-Ni合金还具有足够时效稳定性、热稳定性和高温（可达近200℃）形状记忆性能。但是，铜基合金易产生晶界断裂和晶粒粗大，导致其力学性能相对较差，严重阻碍了其工程应用。

3.3 铁基形状记忆合金

在铁基合金中发现了形状记忆效应与NiTi合金和Cu基合金相比，铁基形状记忆合金具有强度高、塑性好、易加工、价格低廉、使用方便（不需要在低温保存）等优点，其相变机理与其它记忆合金不同，因此无论在学术上还是在应用领域都有重要研究价值。

3.4 非晶态形状记忆合金

非晶态合金又称金属玻璃，在1980年左右，日本东北大学的井上名久教授制备出了具有较大非晶形成能力的金属玻璃成分，在铸造下其临界尺寸已超过毫米级。临界尺寸达到1毫米以上的金属玻璃被称为块体金属玻璃。

4.形状记忆合金在机械工程中的应用

形状记忆合金由于具有许多优异的性能因而广泛用于自动控制装置、机器人、汽车工业、能源开发、医疗卫生以及日用消费品等领域。

4.1 用于汽车、机器人及能源开发等自动控制

形状记忆合金具有温度传感器的功能，同时其外形恢复时作功，又有执行元件的功能，因此应用于温度传感器及执行元件上，其自动控制非常灵敏。形状记忆合金使用最多的是制动器。目前，在汽车工业上使用的形状记忆制动器已达一百多种，主要用于控制引擎、传送、悬吊等，以提高安全性、可靠性及舒适性。形状记忆合金在汽车手动传动系统的防噪装置以及发动机燃料气体控制装置上也得到应用。

4.2 用于家用电器

形状记忆合金还广泛应用于食品加热器、空调器及电饭锅等家用电器中。日本夏普公司使用形状记忆合金元件控制食品加热器的微波加热和对流加热的转换，使食品加热器的体积和重量都大大减小，成本降低2/3。又如，日本松下电器公司用形状记忆合金制造的两用空调机风向转换装置，其风门换向动作十分灵敏 ：当风温在32 ～ 37℃时向下吹 ;风温降到25 ～ 32℃时自动改为水平方向吹。这种装置性能稳定、轻便、造价低，风门启动无噪音，深受用户欢迎。形状记忆合金还广泛用于制作电饭锅恒温器，温度升高时会自动开启，断开电路 ;温度下降到一定程度又会接下电源而起到自动保温作用。

4.3 形状记忆合金在医疗器械上的应用

用镍—钛形状记忆合金制作的血管疾病医疗器具有很多优点。如，用形状记忆合金制作的血管栓塞清除刀，在低温下加工，使其呈卷筒状，插入患者血管后，待温度升到体温时因形状记忆效应刀刃自动平展，通过转动即可清除血管栓塞或沉积物。医学专家还用形状记忆合金丝与银丝结合做成夹具，成功地进行脑动脉瘤的切除手术。

5.形状记忆合金在机械工程中应用的展望

形状记忆合金因其奇特的形状恢复功能，已在各领域获得应用，但是受其生产成本，特别是材料学方面问题的影响，在工程应用上还没有得到足够地重视。在已开发的应用实例中，面临的最大问题首先是在大批量生产中难以控制合金的马氏体转变温度，即记忆合金开始动作的温度，其次是双程记忆性能会在热循环过程中逐渐衰减。因此形状记忆合金理想中的应用场合应该是不需要非常准确的动作温度，仅利用其单程形状记忆效应，而且为了降低成本，合金中不应含有贵重的合金元素，为此本文提出用Fe-Mn-Si形状记忆合金替代预应力混凝土中普通预应力钢筋的设想。预应力混凝土的强度与其内部钢筋产生的预应力密切相关，普通预应力钢筋仅依靠材料弹性变形时的应力，形状记忆合金不仅可恢复的变形量更大，而且在发生形状恢复时可以产生很大的力，因此是生产预应力混凝土的理想材料。更为重要的是，用于生产预应力混凝土时，形状记忆合金不需要非常准确的动作温度，也不需要双程形状记忆性能。Fe-Mn-Si合金中也不含贵重的合金元素，虽然使用形状记忆合金后预应力混凝土的生产成本会略有上升，但是可望大幅度地提高混凝土的强度指标，综合性价比会显著上升。

6.结束语

科技改变生活，形状记忆合金的研发及应用越来越受到企业及研究人员的重视，加强该部分内容研究非常具有现实意义。

参考文献：

[1] 彭海辉.形状记忆合金的研究与展望[J].城市建设理论研究.2013（3）：166-168.

[2] 王朝.形状记忆合金的研究与展望[J].城市建设理论研究.2012（3）：16-18.

[3] 高洁.形状记忆合金的研究与展望[J].城市建设理论研究.2013（6）：66-69.

作者简介：

吴威武（1993.02.05-），本科，邵阳学院机械系。