形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)是一種由兩種以上金屬元素構成、能夠在溫度和應力作用下發(fā)生相變的新型功能材料,通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應、相變偽彈性等特性,廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療、機械電子、汽車工業(yè)、建筑工程等領域。
形狀記憶合金按合金種類主要分為鎳鈦基形狀記憶合金(Ni-Ti SMA)、銅基形狀記憶合金(Cu SMA)、鐵基形狀記憶合金(Fe SMA)3類。其中,鎳鈦基形狀記憶合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有較高實用價值的記憶合金;銅基形狀記憶合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等種類;鐵基形狀記憶合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等種類。
由于SMA具有形狀記憶效應和超彈性,以及耐磨性、耐腐蝕性、高阻尼性、高功重比、生物相容性等*性能,被廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)、機械電子、建筑工程、生物醫(yī)療等領域。其中,鎳鈦基形狀記憶合金具有抗疲勞性、低應力水平下的循環(huán)穩(wěn)定性、出色的生物相容性等優(yōu)異性能而成為最重要的形狀記憶合金,因此其應用最為廣泛,可用作醫(yī)用傳感器、阻尼器、夾具與植入設備、執(zhí)行器等。銅基形狀記憶合金價格僅為鎳鈦基形狀記憶合金的1/10,但其記憶效應、力學性能、耐腐蝕性能都較差,發(fā)展與應用受到一定的限制,需要在合金中添加一些微量元素來改善其性能。鐵基形狀記憶合金的特點是馬氏體起始相變溫度接近室溫、形狀記憶效應相對較好,且由于使用元素價格低,擁有極大的成本優(yōu)勢。但這一類合金相對較低的起始相變溫度以及明顯的滯后現(xiàn)象限制了其應用范圍。
測試目的:表征形狀記憶合金的相變溫度從而確定形狀記憶發(fā)生的溫度。
測試參數(shù):
測試譜圖:
可以觀察到,該鎳鈦合金升溫時,僅有13.44 ℃處有一吸熱峰,熱焓為14.12 J/g,樣品由馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。但是在降溫曲線上,有兩個放熱峰,峰溫分別為7.87 ℃和-39.17 ℃。說明該樣品產生了兩種相態(tài)。而兩種相態(tài)的產生,會影響該合金的形狀記憶效應,從而導致材料失效。
為了進一步探究兩種相態(tài)產生的可能原因,我們又測了一種新的鎳鈦合金材料(用于齒科正畸)。
首先,我們將樣品從-55 ℃加熱至60 ℃,可以看到一個完整的馬氏體奧氏體轉變。轉變峰溫分別為15.81 ℃與11.89 ℃。
之后,我們取相同樣品,改變不同的測試下限溫度,得到曲線結果如下:
從表中結果可以觀察到,如果將鎳鈦合金樣品冷卻至-55 ℃以下,該合金就會產生兩種相態(tài)。而且,隨著冷卻溫度的降低,其第一種相態(tài)對應的峰值溫度也會隨之降低。據(jù)此推測,前一種心臟支架用SMA的兩相產生也可能與材料加工過程中的冷卻工藝有關。還有待后續(xù)測試驗證。
DSC是研究金屬相變的一個強有力工具。我們不僅可以利用它來表征一些已有材料的相變特征溫度,我們還可以借助DSC爐體溫度寬范圍,易控制的特點,研究不同加工工藝,會對金屬材料相態(tài)造成的影響。
作者
周延
耐馳儀器公司應用實驗室
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