感受形状记忆效应的魔力，见识金属中的“变形金刚”！_【航空制造网】

材料中的“变形金刚”——形状记忆合金“汽车人，出发！”电影中的变形金刚一身正气，力大无穷，惩恶扬善，无所不...

“汽车人，出发！”电影中的变形金刚一身正气，力大无穷，惩恶扬善，无所不能。而在种类繁多的材料中，也有一种以其特有性能独步天下的“变形金刚”，它就是形状记忆合金。

我们知道，一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，外力消除后留下永久变形。1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到形状记忆效应（shapememory effect，简称SME），即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金（shape memory alloy，简称SMA）。

一、原理

形状记忆合金之所以具有“记忆智能”，是因为它们可以发生马氏体相变。马氏体最初是在钢中发现的。人们在实验中发现，将钢加热到一定温度后经迅速冷却，就会得到一种能使钢变硬、变强的淬火组织。1895年法国人奥斯蒙为纪念德国冶金学家马滕斯，把这种组织命名为马氏体。20世纪以来，人们对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也存在马氏体相变。马氏体相变具有可逆性，我们将马氏体向其高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。形状记忆效应的原理如下图所示。

以镍钛合金为例，镍钛合金的转变温度在40左右，在40以上时它很坚硬，强度也很高；在40以下时，它相当软，强度低，可以方便地加工成各种形状。这样当我们需要它“记住”某种形状时，可以先把它做成那种形状，进行“热处理”，让它牢牢记住。在转变温度以下它很软，可以随意变形，若要它恢复原形，只要加热到转变温度以上就行了。具有这种形状记忆效应的合金，除镍钛合金外，先后还发现铜-锌、金-镉、镍-铝等约20种合金。

二、分类

形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：

1. 单程记忆效应

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

2. 双程记忆效应

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花，动作幅度可达180。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，在温度为65-85时，花朵开放，在温度恢复为室温时，花朵闭合。

3.全程记忆效应

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

三种记忆效应的对比，如下表所示：

三、应用

1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍-钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。

形状记忆合金初出茅庐，就为航空工业立了一功。美国F-14型飞机平均每架要用800个形状记忆合金接头，主要用于其液压系统。自1970年以来，美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头，没出现过一次失效的记录。用形状记忆合金做管接头的办法是：先在转变温度以上，把镍钛合金管接头按密封要求尺寸进行加工，使它的内径比所要连接管子的外径小4%；然后，在液氮低温下将管接头直径扩大，使它的内径比所要连接管子的外径稍大点（大4%），并把两根要连接的管子从两端对准插入接头；最后，当管子处于工作状态，温度回升到转变温度以上，镍钛合金发挥形状记忆效应，管接头自动收缩，管径变细，恢复到第一次加工的尺寸，它就把两根管子紧紧地连到一起，如下图所示。

除了做管接头外，这种具有“热收缩”性能的形状记忆合金，还被用来做其他形状复杂的接头、联轴节、连接鞘、紧固件、夹具、定位器、止动器、电路连接器以及记忆铆钉等。形状记忆合金被用作人造卫星或宇宙飞船上的半球形的网状自展天线，如下图所示.

1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢？就是用一种形状记忆合金材料，先在其转变温度以上按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球，如下图所示。