形狀記憶合金及其研究進展綜述

王 碩 王元昊

（山東理工大學機械工程學院，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的合金。除了形狀記憶效應外，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用于航空航天、建筑工程、機械工程、生物醫療等領域[1]。

1 形狀記憶合金的發展歷程

1932 年，形狀記憶效應在金鎘合金中首次被瑞典科學家發現。1963 年，美國科學家比勒在做實驗時發現將鎳鈦合金在高溫下做成彈簧，然后在低溫時施加應力改變其形狀，比如將其拉直或鑄成長方形圓形等形狀，再次對其加熱后，該合金又會恢復成為彈簧的形狀。到1969 年，NiTi-SMA 首次在工業上得到應用，并于該年7 月20 號，形狀記憶合金被做成衛星天線隨“阿波羅”11 號進入了月球，用于傳輸地球與月球之間的信息[2]。之后隨著科學家對形狀記憶合金研究的不斷深入，其應用范圍也更加廣泛。

2 形狀記憶合金的分類

根據其實際應用價值分類，形狀記憶合金可被分為Ti 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成本較低，但Cu 基形狀記憶合金晶粒較粗大，綜合力學性能較差且形狀記憶效應不穩定，Fe 基形狀記憶合金雖易于加工，可焊性較好，但Ms 點較低且具有明顯的滯后現象因而限制了其在工業上的應用[3-4]。Ti 基形狀記憶合金雖生產成本較高，在再結晶溫度以下的加工性較差，但其形狀記憶效應穩定、綜合力學性能較好，還具有優良的生物相容性，因此比Cu 基、Fe 基形狀記憶合金應用更加廣泛[5]。

3 形狀記憶效應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是利用熱彈性馬氏體相變及應力誘發馬氏體相變實現的。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大，溫度回升后，馬氏體又逐漸變小，以此來實現合金形狀的改變。應力也可以誘發馬氏體發生相變，當施加應力時馬氏體長大，減少應力時馬氏體減小，等應力消失后，馬氏體也隨之消失，該種馬氏體叫做應力彈性馬氏體[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熱處理、中溫熱處理及時效處理[6]。

低溫熱處理適合加工形態復雜的工件，但該種方法得到的合金的形狀記憶效應穩定性較差。因此實際熱處理過程中多采用中溫熱處理以及時效處理，根據張昊等人的研究表明[7]，將形狀記憶合金先進行850℃的固溶處理之后再進行550℃的時效處理，可以細化晶粒[8]并得到高屈服強度、高彈性模量的形狀記憶合金。

4 形狀記憶合金的應用

形狀記憶合金因其獨特的形狀記憶效應、超彈性以及優良的綜合力學性能而廣泛的應用于建筑工程、航空航天、生物醫療、機械電子等領域。

4.1 機械工程領域

形狀記憶合金優良的形狀記憶效應可應用于制造各類重要的機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，各類驅動元件，汽車上的制動原件等等。

4.2 生物醫療領域

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

4.3 建筑及航空航天領域

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]。因為形狀記憶合金具有形狀記憶效應，因此體積較大的衛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 結論

雖然形狀記憶合金具有很多優點，人們對于該合金的研究也取得了長足的進展，但該合金仍有不少問題需要人們系統，深入的研究改進：

5.1 對于NiTi 形狀記憶合金，評價估量Ni、Ti 元素對人體的刺激作用，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化生產線，未實現該合金商品化生產[6]；

5.3 NiTi 形狀記憶合金生產成本較高，亟需研發一種生產成本較低且使用性能優良的形狀記憶合金；

5.4 形狀記憶效應過于依賴馬氏體相變[6]，限制了形狀記憶合金進一步的開發與應用。

形狀記憶合金是材料領域目前較為熱門的研究項目之一，世界各國專家都在不斷地深入研究，SMA 具有以下發展趨勢：

5.4.1 研發新的種類的形狀記憶合金，通過研發新的種類的形狀記憶合金或者改進已有的形狀記憶合金來降低其生產成本，提高其使用性能，擴大其在工業生活領域的應用[5]；

5.4.2 深入研究形狀記憶合金的高阻尼性能及微觀機制；

5.4.3 建立形狀記憶合金自動化生產線，促進其商品化生產；

5.4.4 研究在不同溫度、應力狀態下形狀記憶合金的力學性能，研發復合材料形狀記憶合金[6]。