鈦鎳系形狀記憶合金(titanium—nickel shape memory alloy)

　　具有形狀記憶效應(yīng)的功能鈦合金。物體在某一溫度下受力變形，去除外力后仍保持變形后的形狀，但在較高溫度下能自動(dòng)恢復(fù)到變形前的原始形狀，這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。

　　1938年美國格雷寧格(A．B．Greniger)等在銅鋅合金中觀察到形狀記憶效應(yīng)。1963年美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室比勒(w．J．Buehler)等研制出稱為鎳鈦的(Nitinol)的形狀記憶合金，并用于航天器。從此，對(duì)形狀記憶效應(yīng)和形狀記憶合金開展了廣泛的研究。70年代已研制成十幾種記憶合金。中國于1978年開始研制，1980年得到應(yīng)用。

　　分類   鈦鎳系形狀記憶合金包括近等原子比的鈦鎳形狀記憶合金、寬滯后的鈦鎳鈮形狀記憶合金、窄滯后的鈦鎳銅形狀記憶合金。

　　鈦鎳形狀記憶合金鈦鎳是一種等原子比的金屬間化合物(Ti50Ni50)，實(shí)用合金成分為Ti-(49～51)％Ni(原子分?jǐn)?shù))。鈦鎳金屬間化合物具有延展性，可熱加工和冷加工，冷加工率為10％～25％，再結(jié)晶溫度為500～600℃。鈦鎳合金高溫相具有優(yōu)良的耐磨、耐蝕性，低溫相具有良好的阻尼性，相變區(qū)域具有奇特的記憶性能和超彈性。鈦鎳合金的物理性能、力學(xué)性能和記憶性能分別示于表1和表2。(AS為馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶嗟拈_始溫度，Af為馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶嗟慕K了溫度)。

　　表1鈦鎳合金的物理性能和力學(xué)性能

　　鈦鎳鈮形狀記憶合金    Ti44Ni47Nb9合金的形狀開始恢復(fù)溫度As，與馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms溫度差異很大，因此被稱作寬滯后記憶合金。如在-60℃馬氏體狀態(tài)給予適當(dāng)?shù)拇笞冃危瑴囟葴?As-Ms)可達(dá)150℃(Ms≈-90℃，As≈60℃)。一般二元合金As-Ms在10～30℃。用鈦鎳鈮合金制作緊固件管接頭，在低溫下擴(kuò)徑，可在常溫下保存和運(yùn)輸，不會(huì)發(fā)生形狀變化，不需要在液氮中保存，使用時(shí)只要加熱到80℃以上，即可方便地完成安裝，所以工程上應(yīng)用十分方便。

　　鈦鎳銅形狀記憶合金銅在鈦鎳中溶解度高，用銅置換鎳原子高達(dá)30％(原子分?jǐn)?shù))，不影響高溫相的結(jié)構(gòu)。鈦鎳銅合金特點(diǎn)是屈服極限較低，為100MPa(TiNi為200MPa，TiNiNb為300MPa)。鈦鎳銅形狀記憶合金的溫度滯后小，因此也稱為窄滯后形狀記憶合金，這有利于制作多次循環(huán)的驅(qū)動(dòng)元件。

　　形狀記憶機(jī)制   鈦鎳形狀記憶合金依據(jù)不同處理工藝，可顯示形狀記憶效應(yīng)和超彈性。

　　形狀記憶效應(yīng)   形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，縮寫為SME)與熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變有密切關(guān)系。TiNi記憶合金的高溫相為有序的體心立方CsC1型B：結(jié)構(gòu)，低溫相馬氏體(M)為單斜B19型結(jié)構(gòu)，中間相R為菱形結(jié)構(gòu)，相變時(shí)發(fā)生B2?R?M或B2?M轉(zhuǎn)變。高溫相單晶冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf以下全部轉(zhuǎn)變成馬氏體，形成24種取向不同的變體，各變體間成自協(xié)調(diào)狀態(tài)，當(dāng)外力作用時(shí)，通過孿晶界面和馬氏體晶界的遷移，相互吞食，馬氏體發(fā)生重新排列，形成馬氏體單晶，宏觀上出現(xiàn)變形，去除外力，加熱到Af溫度以上，馬氏體逆轉(zhuǎn)成單一取向的高溫相，恢復(fù)到材料在高溫時(shí)的宏觀形狀。隨后再進(jìn)行冷卻，形狀保持不變，這就是所謂的“單程”形狀記憶。如果材料經(jīng)過特殊“訓(xùn)練”，在隨后的加熱和冷卻循環(huán)中，能重復(fù)地記憶高溫相和低溫相的兩種形狀，則稱為“雙程”形狀記憶。某些合金(如富鎳的鈦鎳合金經(jīng)拘束時(shí)效)在出現(xiàn)雙程記憶的同時(shí)，繼續(xù)冷卻到更低溫度，出現(xiàn)與高溫相形狀相同、但方向完全相反的現(xiàn)象，稱“全程”形狀記憶。

　　超彈性   英語為pseudoelasticity (縮寫PE)。鈦鎳形狀記憶合金的彈性變形可達(dá)5％～20％，常稱之為超彈性。根據(jù)熱力學(xué)方程，記憶效應(yīng)和超彈性與應(yīng)力和溫度有關(guān)，低于As溫度表現(xiàn)為形狀記憶區(qū)，在As～Af之間為形狀記憶與超彈性混合區(qū)，在Af～Md(應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變極限溫度)為超彈性區(qū)，高于Af溫度產(chǎn)生滑移變形，形狀不能完全恢復(fù)。在高于Ar溫度低于Md溫度區(qū)間施加外應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，在低應(yīng)力下產(chǎn)生很大的應(yīng)變，去除外力時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體立刻發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，應(yīng)變消失，恢復(fù)到原始高溫相的形狀，即稱為超彈性。

　　應(yīng)用   鈦鎳形狀記憶合金在電子儀器、機(jī)械器具、汽車、家電、建筑、能源、宇航、玩具、服裝、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其90年代TiNi記憶合金在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用得到迅猛發(fā)展。工業(yè)產(chǎn)品有各種溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器、管接頭、火災(zāi)報(bào)警器、記錄用筆的驅(qū)動(dòng)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)防熱風(fēng)扇離合器、排氣自動(dòng)調(diào)節(jié)噴管、淋浴器、手機(jī)天線、記憶合金文胸等，醫(yī)療產(chǎn)品有牙科矯形絲、人工關(guān)節(jié)、接骨鋦釘、聚臏器、脊柱矯形棒、TiNi記憶合金各種支架，如食道、膽道、血管、氣管、前列腺尿道等記憶合金支架來治療各類管腔狹窄等。