形状记忆合金及其研究进展综述

王 硕 王元昊

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博255049）

形状记忆合金（shape memory alloys,SMA）是指具有形状记忆效应的合金。除了形状记忆效应外，形状记忆合金还具有超弹性、生物相容性、高阻尼性能以及良好的耐磨性、疲劳性能，因此形状记忆合金广泛的应用于航空航天、建筑工程、机械工程、生物医疗等领域[1]。

1 形状记忆合金的发展历程

1932 年，形状记忆效应在金镉合金中首次被瑞典科学家发现。1963 年，美国科学家比勒在做实验时发现将镍钛合金在高温下做成弹簧，然后在低温时施加应力改变其形状，比如将其拉直或铸成长方形圆形等形状，再次对其加热后，该合金又会恢复成为弹簧的形状。到1969 年，NiTi-SMA 首次在工业上得到应用，并于该年7 月20 号，形状记忆合金被做成卫星天线随“阿波罗”11 号进入了月球，用于传输地球与月球之间的信息[2]。之后随着科学家对形状记忆合金研究的不断深入，其应用范围也更加广泛。

2 形状记忆合金的分类

根据其实际应用价值分类，形状记忆合金可被分为Ti 基形状记忆合金、Cu 基形状记忆合金以及Fe 基形状记忆合金[3]。Cu 基与Fe 基形状记忆合金与Ti 基形状记忆合金相比生产成本较低，但Cu 基形状记忆合金晶粒较粗大，综合力学性能较差且形状记忆效应不稳定，Fe 基形状记忆合金虽易于加工，可焊性较好，但Ms 点较低且具有明显的滞后现象因而限制了其在工业上的应用[3-4]。Ti 基形状记忆合金虽生产成本较高，在再结晶温度以下的加工性较差，但其形状记忆效应稳定、综合力学性能较好，还具有优良的生物相容性，因此比Cu 基、Fe 基形状记忆合金应用更加广泛[5]。

3 形状记忆效应的原理及热处理工艺

3.1 原理

形状记忆合金的形状记忆效应是利用热弹性马氏体相变及应力诱发马氏体相变实现的。热弹性马氏体相变的低温相与高温相（母相）具有可逆性，该马氏体随温度的降低不断长大，温度回升后，马氏体又逐渐变小，以此来实现合金形状的改变。应力也可以诱发马氏体发生相变，当施加应力时马氏体长大，减少应力时马氏体减小，等应力消失后，马氏体也随之消失，该种马氏体叫做应力弹性马氏体[1]。

3.2 热处理工艺

形状记忆合金的热处理工艺通常有低温热处理、中温热处理及时效处理[6]。

低温热处理适合加工形态复杂的工件，但该种方法得到的合金的形状记忆效应稳定性较差。因此实际热处理过程中多采用中温热处理以及时效处理，根据张昊等人的研究表明[7]，将形状记忆合金先进行850℃的固溶处理之后再进行550℃的时效处理，可以细化晶粒[8]并得到高屈服强度、高弹性模量的形状记忆合金。

4 形状记忆合金的应用

形状记忆合金因其独特的形状记忆效应、超弹性以及优良的综合力学性能而广泛的应用于建筑工程、航空航天、生物医疗、机械电子等领域。

4.1 机械工程领域

形状记忆合金优良的形状记忆效应可应用于制造各类重要的机械零件如管道的连接件[6]，与螺栓相组合的垫圈，油田用封隔器，各类驱动元件，汽车上的制动原件等等。

4.2 生物医疗领域

因NiTi 形状记忆合金具有优良的生物相容性，因此该合金在医疗领域应用广泛，可用于制造牙齿矫正丝、食道支架、骨连接器、脊柱侧弯矫形器等[9]。

4.3 建筑及航空航天领域

因形状记忆合金具有高阻尼性能及伪弹性，因此形状记忆合金可用于制造减震隔震装置[6]。因为形状记忆合金具有形状记忆效应，因此体积较大的卫星天线也可以被轻易带入太空，传递地球与月球之间的信息。

5 结论

虽然形状记忆合金具有很多优点，人们对于该合金的研究也取得了长足的进展，但该合金仍有不少问题需要人们系统，深入的研究改进：

5.1 对于NiTi 形状记忆合金，评价估量Ni、Ti 元素对人体的刺激作用，提高NiTi 形状记忆合金与人体的相容性；

5.2 未形成形状记忆合金的自动化生产线，未实现该合金商品化生产[6]；

5.3 NiTi 形状记忆合金生产成本较高，亟需研发一种生产成本较低且使用性能优良的形状记忆合金；

5.4 形状记忆效应过于依赖马氏体相变[6]，限制了形状记忆合金进一步的开发与应用。

形状记忆合金是材料领域目前较为热门的研究项目之一，世界各国专家都在不断地深入研究，SMA 具有以下发展趋势：

5.4.1 研发新的种类的形状记忆合金，通过研发新的种类的形状记忆合金或者改进已有的形状记忆合金来降低其生产成本，提高其使用性能，扩大其在工业生活领域的应用[5]；

5.4.2 深入研究形状记忆合金的高阻尼性能及微观机制；

5.4.3 建立形状记忆合金自动化生产线，促进其商品化生产；

5.4.4 研究在不同温度、应力状态下形状记忆合金的力学性能，研发复合材料形状记忆合金[6]。