何为记忆金属(形状记忆合金)? 上个世纪 70 年代,世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金 属条,它极易被弯曲,我们把它放进盛着热水的玻璃缸内,金属条向前冲去;将它放入冷水里,金属条则恢复了 原状。在盛着凉水的玻璃缸里,拉长一个弹簧,把弹簧放入热水中时,弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了 它的原状,而在热水中,则会收缩,弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩,收缩再拉开。这些都由一种有记忆力的 智能金属做成的,它的微观结构有两种相对稳定的状态,在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状,在较 低的温度下合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会记起它原来的形状,而变回去。这种材料就叫做记忆金属 (memory metal) 。它主要是镍钛合金材料。例如,一根螺旋状高温合金,经过高温退火后,它的形状处于螺旋状 态。在室温下,即使用很大力气把它强行拉直,但只要把它加热到一定的“变态温度”时,这根合金仿佛记起了什 么似的,立即恢复到它原来的螺旋形态。这是怎么回事?难道合金也具有人类那样的记忆力? 原来不是那么回事!这只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律而已。例如,镍-钛合金 在 40oC 以上和 40oC 以下的晶体结构是不同的,但温度在 40oC 上下变化时,合金就会收缩或膨胀,使得它的形 态发生变化。这里,40oC 就是镍-钛记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。上述那种高温合金 的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时,它却处于不稳定状态, 因此,只要把它加热到变态温度,它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。 分类及应用 形状记忆合金可以分为三种: (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。 (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。 三种记忆效应如下图所示。 目前已开发成功的形状记忆合金有 TiNi 基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。 最早关于形状记忆效应的报道是由 Chang 及 Read 等人在 1952 年作出的。他们观察到 Au-Cd 合金中相变的 可逆性。后来在 Cu-Zn 合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到 1962 年,Buehler 及 其合作者在等原子比的 TiNi 合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。 到 70 年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi 等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来,有关 形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,不断丰富 和完善了马氏体相变理论。