應(yīng)用故事 | 形狀記憶合金的相態(tài)表征

形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）是一種由兩種以上金屬元素構(gòu)成、能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的新型功能材料，通過(guò)熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)、相變偽彈性等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、機(jī)械電子、汽車工業(yè)、建筑工程等領(lǐng)域。

形狀記憶合金按合金種類主要分為鎳鈦基形狀記憶合金（Ni-Ti SMA）、銅基形狀記憶合金（Cu SMA）、鐵基形狀記憶合金（Fe SMA）3類。其中，鎳鈦基形狀記憶合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有較高實(shí)用價(jià)值的記憶合金；銅基形狀記憶合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等種類；鐵基形狀記憶合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等種類。

由于SMA具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性，以及耐磨性、耐腐蝕性、高阻尼性、高功重比、生物相容性等*性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械電子、建筑工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。其中，鎳鈦基形狀記憶合金具有抗疲勞性、低應(yīng)力水平下的循環(huán)穩(wěn)定性、出色的生物相容性等優(yōu)異性能而成為最重要的形狀記憶合金，因此其應(yīng)用最為廣泛，可用作醫(yī)用傳感器、阻尼器、夾具與植入設(shè)備、執(zhí)行器等。銅基形狀記憶合金價(jià)格僅為鎳鈦基形狀記憶合金的1/10，但其記憶效應(yīng)、力學(xué)性能、耐腐蝕性能都較差，發(fā)展與應(yīng)用受到一定的限制，需要在合金中添加一些微量元素來(lái)改善其性能。鐵基形狀記憶合金的特點(diǎn)是馬氏體起始相變溫度接近室溫、形狀記憶效應(yīng)相對(duì)較好，且由于使用元素價(jià)格低，擁有極大的成本優(yōu)勢(shì)。但這一類合金相對(duì)較低的起始相變溫度以及明顯的滯后現(xiàn)象限制了其應(yīng)用范圍。

測(cè)試目的：表征形狀記憶合金的相變溫度從而確定形狀記憶發(fā)生的溫度。

測(cè)試參數(shù)：

測(cè)試譜圖：

可以觀察到，該鎳鈦合金升溫時(shí)，僅有13.44 ℃處有一吸熱峰，熱焓為14.12 J/g，樣品由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。但是在降溫曲線上，有兩個(gè)放熱峰，峰溫分別為7.87 ℃和-39.17 ℃。說(shuō)明該樣品產(chǎn)生了兩種相態(tài)。而兩種相態(tài)的產(chǎn)生，會(huì)影響該合金的形狀記憶效應(yīng)，從而導(dǎo)致材料失效。

為了進(jìn)一步探究?jī)煞N相態(tài)產(chǎn)生的可能原因，我們又測(cè)了一種新的鎳鈦合金材料（用于齒科正畸）。

首先，我們將樣品從-55 ℃加熱至60 ℃，可以看到一個(gè)完整的馬氏體奧氏體轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變峰溫分別為15.81 ℃與11.89 ℃。

之后，我們?nèi)∠嗤瑯悠罚淖儾煌臏y(cè)試下限溫度，得到曲線結(jié)果如下：

從表中結(jié)果可以觀察到，如果將鎳鈦合金樣品冷卻至-55 ℃以下，該合金就會(huì)產(chǎn)生兩種相態(tài)。而且，隨著冷卻溫度的降低，其第一種相態(tài)對(duì)應(yīng)的峰值溫度也會(huì)隨之降低。據(jù)此推測(cè)，前一種心臟支架用SMA的兩相產(chǎn)生也可能與材料加工過(guò)程中的冷卻工藝有關(guān)。還有待后續(xù)測(cè)試驗(yàn)證。

DSC是研究金屬相變的一個(gè)強(qiáng)有力工具。我們不僅可以利用它來(lái)表征一些已有材料的相變特征溫度，我們還可以借助DSC爐體溫度寬范圍，易控制的特點(diǎn)，研究不同加工工藝，會(huì)對(duì)金屬材料相態(tài)造成的影響。

作者

周延

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