图3.6　形状记忆合金的各种特性和应力与工作温度之关系

将在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前形状的现象称为形状记忆效应。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金。形状记忆效应是由马氏体相变导致，参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氏体相。形状恢复驱动力是在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差。形状记忆合金的工作温度与其各种特性和应力的关系如图3.6。但是，为了使形状恢复完全，马氏体相变必须是晶体学上可逆的热弹性马氏体相变，即加热时马氏体相必须恢复成晶体结构和晶体取向与原始母相完全相同的母相，所以通常（除个别外）把进行热弹性马氏体相变的合金看做形状记忆合金。

图3.7　三种类型形状记忆效应的示意图

按形状恢复形式，形状记忆效应分为三种类型，如图3.7所示。形状记忆效应是1951年美国Read等人在Au—Cd合金中首先发现的，1953年在In—Tl合金中也发现了同样现象，当时却没有引人注目。但是，1964年在美国Buehler等人在Ti—Ni合金中发现形状记忆效应后才受到世界瞩目，因为它有可能得到应用。60年代中期果然出现了采用Ti—Ni合金制造的人造卫星天线和能量转换热机。随后，又在Cu—Al—Ni合金中发现了形状记忆效应。

1970年在形状记忆合金历史上有了两项重大突破。一是Ti—Ni合金管接头在F14飞机油压管路连接上大量应用，这是形状记忆合金的第一个批量产品。二是日本大阪大学清水和大塚对迄今所发现的四种形状记忆合金（Au—Cd、In—Ti、Ti—Ni和Cu—Al—Ni）进行综合研究后发现，这四种合金有共性，即它们都有热弹性马氏体相变，依此为据预言，凡是有热弹性马氏体相变的合金都能呈现形状记忆效应。果然，在70年代初，在贵金属基β相合金等许多合金系中相继发现了形状记忆效应，见表3.12，表中Ms表示母相转变为热弹性马氏体的转变开始温度，As代表由热弹性马氏体的逆转变开始温度。

表3.12　呈现形状记忆效应的合金

超弹性是形状记忆合金的另一个特性。超弹性现象也是1951年Read等人在Au—Cd合金中发现的。1964年在Ti—Ni合金中发现形状记忆效应时并没发现该合金具有超弹性，而在70年代初Cu—Al—Ni合金中才发现非常明显的超弹性现象。在这一时期认为形状记忆效应和超弹性是互相无关的独立特性，只是在清水和大塚等人发现形状记忆合金共性之后才认识到超弹性也是由热弹性马氏体相变导致的性质。随后，Wasioewski、本间等人在Ti—Ni合金中发现了超弹性现象。由此可见，形状记忆合金是兼有形状记忆效应和超弹性两种性能的金属材料。不同金属材料的变形行为图解和应力—应变曲线如图3.8。

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图3.8　不同金属材料的变形行为图解和应力—应变曲线示意图

70年代中期开始，各国都积极致力于形状记忆合金的应用开发，在电子、电器、汽车、机械、能源、家电、宇航、建筑、医疗等领域中开始得到应用，在80年代许多形状记忆合金产品相继问世。这些应用包括：

1.工业应用

（1）单向形状恢复　它是利用单程形状记忆效应的应用，如管接头、记忆铆钉、天线、套环等。

（2）外因性双向形状恢复　它是利用单程记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作的应用，如热敏元件、机器人、接线柱等。

（3）内因性双向形状恢复　它是利用双程记忆效应随温度升降做反复动作的应用，如热机、热敏元件等。但是，这类应用，记忆衰减快，可靠性差，不常用。

（4）超弹性的应用　利用拟弹性应变高达8%，纯弹性应变高达1.5%，应力～应变曲线呈非线性，能量密度可达40MJ/m3等特性，用做贮能元件、特殊弹簧、接线柱、眼镜框架、胸罩芯丝等。

2.医学应用

利用Ti—Ni合金的形状记忆效应和超弹性的医学应用实例相当多，例如，血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形唇弓丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、骑缝钉、避孕器、颅骨修补盖板、股骨头帽、人造心脏用人造肌肉、人造肾脏用微型泵、结石取石器等。

3.高技术中的应用

20世纪已成为机电学（Mechatronics）时代。传感—集成电路—驱动是一个最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。由于兼有传感和驱动双重功能的形状记忆材料问世，控制系统又有可能由机械电子系统转化为材料电子系统，21世纪将会成为材电学（Matronics）时代，可以实现控制系统的微型化和智能化。例如，全息机器人，机械电子系统中关键是半导体材料，而在材料电子系统中关键则是开关记忆材料。人们正在设想利用形状记忆材料研制象半导体集成电路那样的集记忆—驱动源—控制为—体的机械集成元件。强电介质体形状记忆材料将是一种21世纪高新技术领域中不可缺少的材料电子一体化的材料。形状记忆合金薄膜不久将成为在显微镜下操作的毫米级超微型机械手的理想材料。形状记忆合金机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域中大显身手。