铜基形状记忆合金材料
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北京房山
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作者李周，汪明朴，徐根应编著
出版社中南大学出版社
ISBN9787548701651
出版时间2008-12
装帧平装
开本16开
定价60元
货号6797932
上书时间2024-12-18
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导语摘要
在人类文明发展史上，材料是科学技术进步的重要支柱，也是社会进步的物质基础。在科学技术日新月异的今天，新材料更是高新技术发展的先导。本书所介绍的铜基形状记忆合金是一种新型的金属功能材料，在国民经济建设和国防建设中起着重要的作用。
李周、汪明朴、徐根应编著的《铜基形状记忆合金材料》主要以铜基形状记忆合金为研究对象，较为系统地介绍形状记忆合金的基本原理，重点介绍铜基形状记忆合金的马氏体稳定化、母相时效效应、热循环效应和宽滞后效应，同时还介绍机械合金化法制备铜基形状记忆合金和多孔铜基形状记忆合金及其制备方法。
作者简介
李周，男，1969年出生，博士，教授，博士研究生导师，中南大学材料科学与工程学院副院长。2002年博士毕业于中南大学材料物理与化学专业。先后在英国利物浦大学和新加坡南洋理工大学做访问学者，是中国材料研究学会青年委员会理事、中国机械工程学会有色金属热处理技术委员会委员。
主要从事马氏体相变、形状记忆合金和生物医用材料等新材料、新工艺的研究。先后承担和参加了10余项重量科研项目，在靠前外发表学术论文100余篇，参编著作3部，获得国家发明5项。
汪明朴，男，1952年出生，教授，中南大学博士研究生导师。2000年被聘为教育部材料物理与化学专业教指委委员，2006年被聘为教育部材料科学与工程教指委秘书长。
主要从事高性能铜合金和固态相变等领域的研究工作，先后承担和参加了20余项重量科研项目。获国家教学成果二等奖1项，部、省级科技进步二等奖2项，国家发明9项，出版学术专著2部，发表学术论文170余篇。
徐根应，男，1955年出生，教授，中南大学博士研究生导师。
主要从事马氏体相变，形状记忆合金和材料表面处理等新材料、新工艺的研究。先后承担和参加了20余项重量科研项目，获部、省级科技进步二等奖3项。目前已在靠前外发表学术论文60余篇，获得国家发明7项。
目录
第1章 绪论
1.1 形状记忆合金的发展历史与现状
1.2 形状记忆合金的种类
1.3 形状记忆合金的应用
1.4 形状记忆合金的发展前景
参考文献
第2章 形状记忆合金的基本原理和特性
2.1 热弹性马氏体相变
2.1.1 一般特征
2.1.2 热力学特征
2.1.3 晶体学特征
2.2 马氏体相变和形状变化
2.2.1 单马氏体形状应变
2.2.2 相变应变自协调效应和马氏体变体
2.3 形状记忆效应机制
2.3.1 形状记忆效应
2.3.2 记忆机制
2.3.3 形状记忆效应的起源
2.4 形状记忆合金的特性
2.4.1 单程形状记忆效应
2.4.2 双程形状记忆效应
2.5 形状记忆效应和相变伪弹性
2.6 弹性模量和屈服应力
2.7 恢复力
2.8 阻尼特性
2.9 铜基形状记忆合金的相图
参考文献
第3章 铜基形状记忆合金的时效效应
3.1 铜基形状记忆合金马氏体状态时效效应
3.1.1 马氏体稳定化的宏观效应
3.1.2 晶格改建提高铜基形状记忆合金抗马氏体稳定化性能
3.1.3 微合金化提高铜基形状记忆合金抗马氏体稳定化性能
3.1.4 工艺因改善铜基形状记忆合金马氏体稳定化性能
3.2 铜基形状记忆合金母相时效效应
3.2.1 铜基形状记忆合金母相时效的有序化
3.2.2 铜基形状记忆合金母相时效的析出
参考文献
第4章 铜基形状记忆合金循环效应
4.1 热循环
4.1.1 热循环对铜基形状记忆合金相变点的影响
4.1.2 热循环对铜基形状记忆合金记忆效应的影响
4.1.3 热循环对铜基形状记忆合金结构的影响
4.2 热机械循环
4.2.1 双程形状记忆效应
4.2.2 相变温度的变化
4.2.3 疲劳寿命
参考文献
第5 铜基形状记忆合金马氏体宽滞后效应
5.1 合金的冷加工性能
5.1.1 热处理对合金组织及相变点的影响
5.1.2 不同热处理状态合金的力学行为
5.1.3 合金断口扫描电镜分析
5.2 合金的相变宽滞后效应
5.2.1 变形对合金马氏体正逆转变的影响
5.2.2 变形对形状记忆恢复、相变滞后宽度的影响
5.2.3 不同变形量下合金典型金相组织
5.2.4 不同变形量下合金的X射线衍射分析
5.2.5 合金变形组织的透射电镜观察
5.3 相变宽滞后效应的形成机制
5.4 记忆管接头的制备工艺
5.5 记忆管接头的性能
参考文献
第6章 铜基形状记忆合金的晶粒细化
6.1 铜基形状记忆合金晶粒细化方法
6.1.1 添加合金元素法
6.1.2 快速凝固法
6.1.3 形变热处理
6.1.4 电脉冲孕育处理
6.1.5 粉末冶金法
6.2 晶粒细化在铜基形状记忆合金中的作用
6.2.1 晶粒细化对力学性能的影响
6.2.2 晶粒细化对记忆效应的影响
6.2.3 晶粒细化对加工性能的影响
6.2.4 晶粒细化对超弹性和超塑性的影响
参考文献
第7章 机械合金化法制备铜基形状记忆合金
7.1 概述
7.2 制备工艺
7.3 形状记忆效应的测量
7.4 高能球磨过程中混合粉末的组织与性能
7.4.1 形貌与硬度的变化
7.4.2 X射线衍射峰的变化
7.4.3 组织结构的变化
7.4.4 真空热压与热挤压
7.4.5 合金的相变点
7.4.6 合金的形状记忆效应
7.5 固溶淬火态合金的组织分析
7.5.1 金相组织分析
7.5.2 X射线衍射分析
7.5.3 扫描电镜分析
7.5.4 透射电镜分析
参考文献
第8章 多孔铜基形状记忆合金及其制备方法
8.1 概述
8.2 结构性能的表征方法
8.3 烧结蒸发工艺制备多孔铜基形状记忆合金
8.3.1 制备流程
8.3.2 烧结温度的确定
8.3.3 烧结时间的确定
8.3.4 制备工艺原理
8.3.5 合金的孔隙分布特征及力学性能
8.4 热处理对多孔铜基形状记忆合金力学性能和记忆效应的影响
8.5 内耗行为
8.5.1 低频相变内耗行为及机制
8.5.2 铜基形状记忆合金的低频阻尼行为
8.5.3 孔隙对铜基形状记忆合金阻尼性能的影响
参考文献
内容摘要
�?�?铜基形状记忆合金绪论
1.1 形状记忆合金的发展历史与现状
形状记忆合金是一种新型的功能材料, �?成为功能材料领域的研究热点之一。我们给已适当变形的材料以温度变化,材料能自动做功而恢复变形前形状的效应称为“形状记忆效应�?shape memory effect,简称SME)[1],而具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)�?br />最早在金属中发现形状记忆效应可追溯�?0世纪30年代�?938�?美国的Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随�?苏联的Kurdiumov对这种现象进行了研究�?951�?Chang和Read在Au-47.5�?原子数分�?合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁移。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直�?963�? 美国海军武器实验室Buehler等人开发并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金Nitinol�? 才广泛引起了人们的兴�?对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段[2]�?969�? Raychem公司首次将Ti-Ni合金制成管接头应用于美国F14战斗机上;1970�?美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发�?0世纪70年代,相继开发出了Ti-Ni基�?Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合�?80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金。从20世纪90年代至今,高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点[3]�?0世纪80年代�?科研工作者突破了Ti-Ni合金研究中的难点, 从此以后, 形状记忆合金开始广泛应用于生产、生活的各个领域。在各国申请的有关形状记忆合金的技术专利已逾万�? 投入市场付诸应用的实例已有上百种。同�? 随着智能材料、智能机构研究的兴起, 又将形状记忆合金的应用推向了更广泛的领域。目�? 有关?状记忆合金研究的科技论文数已位居马氏体相变研究领域之�?而且该类材料所涉及的应用领域极其广泛�?br />从发现形状记忆合金至�? 其发展已�?0余年的历史。美国�?日本等国家对形状记忆合金的研究和应用开发已较为成熟,同时也较早地实现了形状记忆合金的产业化。我国从20世纪70年代末才开始了形状记忆合金的研究工�? 起步较晚,但起点较高。在材料冶金学方�? 特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公�? 在应用开发上也有一些独到的成果。但�?由于研究条件的限�? 在形状记忆合金的基础理论和材料科学方面的研究�? ?国与国际先进水平尚有一定差�?尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大[4]�?br />�?0年来, 我国在形状记忆合金基础理论研究方面有了很大发展, 在形状记忆合金的应用和开发方面更是取得了长足进步。现�?我国的形状记忆合金产业化进程正方兴未�? 国内涌现了一大批以形状记忆合金原料及产品为主要生产�?经营项目的高科技公司。可以预�?未来几年我国形状记忆合金的研究和应用开发将会有令人瞩目的发�? 甚至可能出现较大的突破�?br />除了金属材料�? 人们还发现在非金属材�?如高聚物和陶�? 中也存在形状记忆现象[5,6], 但目前尚处于初期探索阶段�?br />1.2 形状记忆合金的种�?br />现在已发现具有形状记忆效应的合金至少�?
�?Ti-Ni�?Ti-Nb�?Ti-Ni-X(Fe、Cu、Au、Pt、Pd)�?br />�?Au-Cd�?Au-Cu-Zn�?br />�?Cu-Zn�?Cu-Zn-Al�?Cu-Zn-Sn�?Cu-Zn-Ni�?Cu-Zn-Si�?Cu-Zn-Ga、Cu-Al-Ni�?Cu-Al-Mn�?Cu-Al-Si�?br />�?Ag-Cd�?Ag-Zn、Ag-Zn-Cd�?br />�?Ni-Al�?Ni-Al-Co�?Ni-Al-Ti�?br />�?Co-Ni�?br />�?Fe-Ni�?Fe-Ni-Co-Ti�?Fe-Mn�?Fe-Mn-C�?Fe-Mn-Si�?Fe-Mn-Si-Ni(Cr)�?04不锈钢和Fe-Pt等�?br />铜基形状�?合金因其具有形状记忆、超弹性、高阻尼和良好的导电�?相变点在-180~400℃范围内可调,且生产工艺简单、成本低�?在要求反复使用次数不太高,条件不太苛刻的情况下应用前景非常广阔�?br />�?-1中列出呈现完全形状记忆效应的铜基形状记忆合金的种类和它们的物理性能。在这些合金中作为实用材料正在研制的有Cu-Al基三元合金和Cu-Zn基三元合金。为了制造细晶材�?研制添加第四种元素的合金, 其基本特性和三元合金相同�?br />�?-1 呈现完全形状记忆效应的铜基形状记忆合金的种类和性能
1.3 形状记忆合金的应�?br />迄今发现具有形状记忆效应的合金体系中已得到实际应用的还仅局限于Ti-Ni和Cu-Zn-Al、Cu-Ni-Al和Cu-Al-Mn系合�?Fe-Mn-Si 系记忆合金也在开发应用中)。其重要应用领域包括: 电子�?机械、能源、宇航�?土木�?汽车�?医疗及日常生活等领域�?br />�?-2列举了形状记忆合金的部分应用实例, 其中医疗上的应用和部分反复使用次数高以及条件苛刻领域的工业应�?目前还只能靠Ti-Ni系记忆合金来完成。其他领域的应用, Ti-Ni基和部分铜基记忆合金均可完成�?br />�?-2 形状记忆合金的部分应用实�?br />
下面择其典型应用加以概述�?br />(1)管接�?br />形状记忆合金连接件结构简单�?质量轻�?所占空间小, 并且安全性高�?拆卸方便�?性能稳定可靠, 在连接密集部件、不可焊部件、人类不易到达区域的工程部件(如深水工程�?太空工程)�?异种材料的连接等方面更显示了其优越性�?已被广泛用于航天、航空、电子和机械工程等领域。其中管接头是形状记忆合金最成功的应用之一。管接头的使用方法如�?-1所示[7]。待接管外径�?见图1-1(a)), 将内径为 (1-4%)的Ti-Ni基形状记忆合�?或铜基形状记忆合�?经过单向记忆处理�?见图1-1(b)),在低温下(〈Mf)用锥形模具扩�? 使其直径变为 (1 4% )(见图1-1(c)),扩径用润滑剂可采用聚乙烯薄膜;在保持低温下将被接管从管接头两头插入(见图1-1(d)), 去掉保温材料, 管接头温度上升到室温�?由于形状记忆效应, 其内径恢复到扩管前尺�? 即可实现管路的紧固连�?见图1-1(e))�?br />
�?-1 形状记忆合金管接头使用示意图
�?-2所示为利用Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr记忆合金制备的管接头进行�?�?种材质管棒连接实物照片�?br />
�?-2 Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr记忆合金管接头的�?�?种材质管棒连�?br />(2) 紧固铆钉
工程中通常采用铆钉和螺栓进行紧�? 但在某些场合(例如在密闭真空中)很难进行操作,而采用铜基或Ti-Ni基形状记忆合金紧固铆钉则可较容易地实现。如�?-3所示[8], 铆钉尾部记忆成形为开口状, 紧固�?将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉�? 插入被紧固件的孔�? 温度上升产生形状恢复, 铆钉尾部叉开即可实现紧固。此�?已投入实际应用的形状记忆合金连接紧固件还有薄壁管与封头的密封圈�?紧固螺钉�?螺母�?轴承定位圈等�?br />
�?-3 形状记忆合金紧固铆钉使用示意�?br />(3)调节�?br />利用形状记忆合金在加热时恢复形状的同时其恢复?可对外做功的特�? 能够制成各种驱动调节元件。此类驱动机构集感温与驱动于一�?结构简�? 灵敏度高, 可靠性好,一直是科研工作者的研究热点之一[9,10]。图1-4所示为汽车上使用的铜基或Ti-Ni基形状记忆合金驱动节温器[11]。汽车发动机使用效率最高的温度范围�?0~80�?当实际温度高于此温度�? 记忆合金弹簧伸长压缩偏置弹簧, 打开循环水冷却系�?当温度较低时,偏置弹簧力大于记忆合金弹簧力并压缩记忆合金弹�? 关闭循环水冷却系统。形状记忆合金节温器具有寿命长�?驱动平稳等优点�?br />
�?-4 记忆合金驱动节温�?br />(4)减震装置
形状记忆合金弹簧可用于振动滤�?可通过调整弹簧位置来保留所需振型而滤掉不需要的振型[12]。将铜基或Ti-Ni基形状记忆合金埋入地基内可吸收由地震引起的建筑物的能�?从而起到减震的作用[13]�?br />(5)裂纹自愈�?br />利用形状记忆合金对应变敏�? 电阻率大, 加热后可产生大恢复力的特�?可将其用于裂纹的监测和控制。将铜基或Ti-Ni基形状记忆合金丝或薄膜黏贴在易产生裂纹或应力集中较大的地�? 当产生裂纹后,形状记忆合金就会随裂纹表面张开而产生变�? 这样材料内部的电阻值就会发生变�? 通过电阻值的变化规律就可判断裂纹的宽�?当裂纹宽度超过一定值后, 将形状记忆合金加热。由此形状记忆合金就会收�? 产生恢复�? 该恢复力可驱动裂纹闭合�?br />(6)热敏控制�?br />形状记忆合金是一种热敏材料。按环境条件选取适当的合�? 控制其Ms�?Af及变温范�? 借助形状记忆合金的形状记忆达到控温目的。显�?它与常见的光电�?压电�?热电等感知器的原理不�? 后者是在感知信号后输出电信�?或其他信�?,仅具有“感知”功能。形状记忆合金不仅可作为感知�? 更重要的是可兼负驱动作用, 主要应用在以下几个方面�?br />�?-5所示为采用铜基形状记忆合金制作的电加热水壶的手柄控制器, 柄内装有一只铜基形状记忆合金制作的弹簧。水开�?蒸汽被吹至形状记忆合金元件上发生马氏体向奥氏体相�? 弹簧伸长带动按钮推开电触�? 达到自动切断电源的目的。同双金属片比较,铜基形状记忆合金元件机构简�? 双金属片挠曲量相对铜基形状记忆合金要小得多。一块长50 mm�?�?mm的双金属片在100℃温差产生的挠度仅为2~4 mm, 而在相同条件下铜基形状记忆合金却可以得到20 mm的挠�?因而使用后者更为灵敏可靠�?br />
�?-5 采用铜基形状记忆合金制作的电加热水壶控制器[14]
(7)自动调节装制[15]
�?-6所示为美国和日本生产的育苗室�?温室等天窗自动控制器,其中用铜基形状记忆合金制作的弹簧充当温度传感器和动力机构。在预定的温�?通过铜基形状记忆合金弹簧的伸缩来开启和关闭窗户。铜基形状记忆合金还巧妙地应用于汽车的汽化器上。由Cu-Zn-Al合金制成一个简单的喷油�?插入Stromberg型汽化器�? 喷嘴的尺寸可以根据燃料温度的高低而改变大�?从而正确控制燃料的流量来补偿燃料黏度的变化所造成的损耗。图1-7所示为这种喷嘴的结构设计及测得的一些参量曲线。值得注意的是,在燃料温度较高时, 这种喷嘴排出的CO�?减少, 这样可防止对环境的污染。类似的还有热机冷却风扇启闭器�?散热器阀门、空调风向调节器、电冰箱自动开关�?化学反应温度自动控制器�?干燥装置开关�?对流电子炉灶中气流调节器等�?br />
�?-6 铜基形状记忆合金弹簧制作的天窗自动控制器
�?-7 铜基形状记忆合金汽化器喷�?a)及其参量曲线(b)
(8)色调记忆配件
�?2%~15%(质量分数)Al�?%~5%(质量分数)Ni的铜基形状记忆合金是具有热弹性马氏体相变的色调记忆元�?�?00~400℃范围内具有相变特性温度。通过相变, 合金的色调从红色变为金黄色。随着合金中Al含量的改�?相变特性温度最低可降到-200℃。因�? 通过加入适当Al和外加负�?相变特性温度可�?200~400℃间任意调整。这样就可以用色调记忆特性开发温度指示器和在交变应力作用下的指示器�?br />(9)医学应用
目前在生物医学领域中应用的形状记忆合金主要是Ti-Ni形状记忆合金。形状记忆合金在医学领域具有很多用�?例如牙齿整形、脊椎侧弯哈氏棒�?妇女避孕环�?人工关节和接骨板�? 已成为商业性的生物医用材料。用形状记忆合金丝制成的螺线导管,前端装有内窥�? 穿入光纤用来显示图像, 其形状可随器官的形状自如地变�? 极易插入体内, 同时可提高尖端工作部分的操作性能,还可大大减小受检查者的痛苦,是一种柔软并能自由弯曲的“能动型”内窥镜。目前正在研究防止血栓的过滤器。将这种过滤器插入患者静脉就可防止血栓进入心脏或肺�?br />�?-8至图1-15所示为利用Ti-Ni形状记忆合金制造的部分医疗器械[16]�?br />
�?-8 西脉髓内�?a)及胫骨髓内X光片(b)
�?-9 胆管支架
�?-10 食道支架
�?-11 封堵�?br />
�?-12 血栓过滤器
�?-13 内窥�?br />
�?-14 结石收集�?br />
�?-15 射频间质组织消融设备工作原理�?br />1.4 形状记忆合金的发展前�?br />形状记忆合金作为一种新型功能材�? 是集感知与驱动于一体的智能材料, 具有其他材料很难取代的独特优�? 可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件。随着智能材料�?智能机构研究的兴�? 又将形状记忆合金的应用推向了更广泛的领域�?br />随着形状记忆合金应用范围的日益扩�? 对于材料特性和形状的要求也日益提高。未来形状记忆合金的材料研究将向高温�?低温、宽滞后、窄滞后�?双程�?全程�?色调记忆等方向发�? 工艺研究将向低成本�?微型化加工�?高质量�?多品种的目标迈进,开发研制记忆合金多孔材料�?薄膜�?超细丝�?纤维等具有全新用途的功能材料。记忆合金元件的小型化、智能化、大型化是元件设计的不同方向�?br />廉价的铜基形状记忆合金的工程应用也必将成为形状记忆合金领域研究的热点。其中高耐热稳定性形状记忆合金、宽的相变滞后宽度和良好的加工成形能力的形状记忆合金、超低温或高温应用记忆合金将是铜基形状记忆合金材料研究的重点�?br />参考文�?br />[1] 徐祖耀. 马氏体相变与马氏�?第二�? 北京: 科学出版�? 1999.
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