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1、， 形状记忆合金与热双金属片特性的比较 浙 江大学 程饴萱 继勤李铭棠 热双金属片与形状记忆台金=者均能显示出形状随温度升降而发生变化的效应。但是 由 于它们的动作来源是基于不同的机制， 因而显示出不同的动作特性 ， 在应用上也具有各 自的特 色。热双盎属片已有悠久的使用历史，而记忆合金则是近年发展起来的新材料，本文的 目的 在于为设计及应用楹 壶拌的工作者提供某些基本数据及材料学的原理，以进一步熟悉记 乙 台 金这 新材 料， 使之能在 更多的领 域 内为工程技 术 服务。 _ - _ _一 一 、热双釜 乌 热双 金属片是 一种 利用两类不 同膨胀 系数 的材料 来控 制 、测试 及调节温
2、 度 的一 种 一，生 b 和用轧制或其它方法将两种台金结台在一起，制成热双金属片。当固定片的 一 蜡 加 热 时， 由哥不同的膨胀系数 ， 热双金属片即发生弯 曲。这种材料至今已有近2 0 O 年的历史， 由于 价格较 为低廉 及结 构简单 。 目前 仍得封广泛应用。 双金属 片基 率 上 由 主 动。 A e t i v e ) 及被动( P a s s i v e ) 两种 材料组成。前者要求在较宽的温 度 范 围内，有高的 热 膨 胀 系 数 ( 口 1 61 0 】 【 ) ，后者 则 要 时K值怍 时 1 在观 支架下 热双 盘 蓐 片的l韭形 ，i ； 土 y 。 划 撼 善 静
3、 I 卿 2 0 T I r 对 定 值 打 拙 _的。 。 I ： 沮 度 盅挝叫 目 2 热跟盘一 片的莓曲挠皮A与碾度的美系 求其膨 胀系数 尽量低 ( 口 51 0 一 k ) 。此外 ，热双金 属材料 还 要 求有 良好的冷、热变形能力，熔点 高( 1 0 0 0 2 ) ， 弹性模量高且l 趋 温 度的 变化小及 一定的强 度。 作为 。 主动 片的材料常用的有 Mn Ca Ni 合金， Fe Ni Mn合佥及 类 氏体C r N i 不锈钢等 作为。 被动一 片 材 料 ， 最有 代表性的是 因瓦( I n v r ) 合 金， 倒如Fe 一 3 6 Ni 合金 在室温 下 其
4、值极 小( 1 2 x1 0 - k - 。 ) ，但 超过 1 5 0 C时，因 值 明显变化 将不 再适 用。F e ( 4 2 X - 4 6 ) Ni 合 金， 虽然其 值较前者稽高，但它可在 较宽的温度范围内保持恒定，因孵 也常被甩作被动材料。 维普资讯 http:/ 热双盎属片常用比热弯曲值K( 。 ) 来表示其热敏蒂性的大小“ “ ， K值可由下式表示 ( 觅 图 1)。 一 I 一 一 ( L +4 +4 ASXTz T1 ) 。 式中A为弯曲挠度， s为热双金属片厚度，L 为支点间距，T t T z 为温度差。 弯曲挠度A值与温度有关，并且不是常数，见图 2 ，图中的虚线是K
5、值分别作5变 化对得出的。 由图可见， 在某一定的温度范围内，弯 曲挠度A与温度基本呈线性美系，若对线 性关系要求不高则可扩大使用温度范围。热双金属片的使 甩极 限，随台金的不 同 约 为3 5 O 8 5 0 ， 主要是受冷加工后再结晶的限制，表 I列举了几种常用双金属片的数据。 寰 l 几种热 双 金属片鼬 组威 与性 能 圭 曲 片 i 被动 片 出热弯 曲值K， t , t 拽性温度范盥 i 允许使甩温壁范围 许用应力x l o N m I 3 Ni Cr 2 N j 1 3 2 I 5 5 2 0 十B0 7 O +45 0 2 0 M丑 7 B Ni 1 6 Cf l O Ni 3
6、 6 1 8 0 2 2 O 2 O + 0 O +2 5 O 1 5 Ni 2 0 Mn 6 Ni 3 6 1 3 8 1 5 0 一2 O +1 8 0 一7 0 +I 6 0 2 0 3 Ni Cr 2 Ni 6 0 6 6 8 4 7 0 一 +4 5 0 2 0 形状记忆台金也是一种热敏材 料， 它兼 有感温及 驱 动两 种功能。 温 度变 化时，合 金元件产 生动 怍的 来源 是基 于台 金 中发生 的母 相： 马 氏体间的正、逆转变(以下用p ： 表示 ) ，这种转变是一种无扩散的 切变过程 、并 且 在转变时 p 与G 间始 终保持共格关系，鄱所谓的热弹性 马氏 。B a 相变
7、时可形成多种位 向不 同的 变体 (图 5中显示 了n ， a 两种 变体 ) ， 当加外力 形变时， 与 外 力相适应 的变 体 长大， 其 余的 则 缩小，最终台并成单一变体。当卸 去外力，或卸去外力重新加热转变 为母相 B时，台金组织 由单一的1a 变 体转变 为单一 的母 相 口 ，此 时其 形状回复到变形前的形状，前者称 伪弹性，后者则称单程记忆效应。 若 对合金元 件进行适 当的 训练 ”， 使黼述的 B ，q变 体阗 的 转变 不 形状记忆 合金 - ( 一一 e ， 、 I o m t R0 R P B t ： ， rl 。 、 I r - u：常 数 T1 卜 e 2 w R
8、口 二 Rt 嚼 3 表 示 同散 应鹊 直力 一变 一温 度圉 、 参栩 衰 2) ，3 8， 维普资讯 http:/ 口 。 。 口 。I 、 f 4 口 。 e 。 DI 一 、 、 一 ， 、 r r ， 、A1 日 k ： 口 4 口 l I ! ! l 。 I 一 I 圈 几种 不同 效应 的示 意 陌。a)转变 时无j f 耋 状变 化 b)单 程记记 效 应c )积 程记忆 煎 应 需经过变形，在加热，冷却过程中就 能直接进行，逸时台金就能记住其高 低温 ( 对应于 B 及a相 )的形 状，此 种效 应称为 双程记忆 效 应。其示意 图 分别见 图3 5 。 - -一 l Af
9、 扩 敏控 制 相空 尻域 t 如 见氏件 转 ) T 个8 =Th T s 稳定均勺的 P柏区( 目化) 裹3形状 记忆台 金的性 能 名 称 N T 台盘 C u AI台盘 密度 ( g e roS 6 4 6 5 7 B 日 电 阻 (1 0 c t O c 皿) 5 O 1 1 0 与 试韫 痿有 关 ) 抗 拉 商度( N m； ) B 0 0 O D 4 O 0 7 0 O 延 伸 卓 ( ) 形 状 恢蔑率 ( ) 单 程 覆 程 1 2 恢 复应 力( M 皿 ) 3 O 0 ( ma x) 3 5 0 ( 皿a x ) 34 维普资讯 http:/ 目前发现具有记忆效应的合金
10、 已有数十种之多，可 投入 实际使甩的主要是 Ni Ti 厦钢基 合金两犬类，其主要性能见表3 、 N i T i 合金在某些性能上虽优于铜基 渔 ， 但由于价格昂 贵，尚难于普遍使用，铜基合金由于其价格低廉，易于加工，在稳定性及使用每帝上作进一 步 改进， 在应用上具 有 良好 的前景 。 一 ： 一 两类 记忆台金 的基本性 能，如 表3 。 三 、热双金属 片与记忆合金性 能的比较 如前 所述， 由于两种材 料随温 度变化而 产生 的形状变化 是基于不 同的 机制， 因而尽管 均 为热敏材料，但却具有不 同的特性。 1 基本特 点 热双金 属片： 1 )温度与动作行程基本呈线性关系。2
11、)此线性范围可达约6 0 0 ， 使用的极限温度约为 6 5 0 C( 但 已呈非线性关系 )。3 )形状变化的稳定性很高可达2 1 0 次。 形状记忆合 金： 。 1 ) 元件的形状变化与合金的相变温度直接有关，因而动作呈突变性，并在较窄的温度 范围 内发 生 。2 j合 金的单 位体积工 作能 力很 大。 3 )台 金可显 示拉倬 、压 缩， 弯 曲、 扭转等 不同类型的形状变化。或形成复合的多维动作。4 )可 以制成不 同类型的记忆台金元件( 姐弹 簧，异型片、 。 丝等等 ) ，尽管合金的线性 回复绝对值并不是很大，但在制成元件后却可产生 相当大的应变，例如， 以 2 1 mm的C u
12、 Z n AI 台金丝制成的匝数为 9，外径9 5 ram的 弹簧其 行程 可这3 o rem以上，此时作用力约为2 4 k g 。 12 沮 度 - 位移 曲线 ， 以下讨论两种材料的温度一 位移特性，见图 6 ，试样示意图如图 7。 宦 。 器 氧 e 、 一 、 、 一 ， 值霞 一 温 度一 位移 曲线 -图 巾Cn Z n AI 台金 双程 同 复帛 1 ， 跟金 属 片为Ni 2 O M 6 Ni 3 6 -试 样均为 厚度 1 如自 由 * 5 0 l 村 某 -Cu Z n A1 记忆 合金片厚度 为 1 ram， 加热后弯曲成曲率半径5 0 mm的弯曲片， 闻约为4 0 K
13、)。 一I l 罔 7试 韩 尺 示 意 图 由图 6可见， 两 种材料 的温度 一 位 移 曲 线有 明显 的不 同 。 对于记忆合 金， 用 弯曲试样 的妞率半径 R及厚度 S，并用 e 。 表示其记忆 效 应 的 大 小 ， 。 S 2 R 双 程 回复率为 l ， 低 温 时为 长度 5 O mm的平直 片 ， 刚在 自 由端可 获得 约2 5 h a m的位移 ，(此时相 变 区 对于热双金属片，其 自由端位移是由下式计算获得 。 A 窖 6， 维普资讯 http:/ 式中K为比热弯曲值 ， 取 =2 8 5 西1 0 一 K，L=5 0 m，S 1 ram，A T= 4 0 k ，
14、与记 忆 台金试样 取粗 同：值， 则计算得 出A (自由端位移 )约为 1 5 m,m， 明显 小 于记忆 合金 。 j 工作蘑 。 积 的 一 坐 T一温度 差 热理盘层片的 力一位咎幂t蟹 A Ni 2 0 Mn 6 Ni 3 6 组成的热双金属片 ， 在A T；1 0 0 K对单位体积的工作能力约为0 o z M J ms 。在抗拉强度与热双金属片相当的情况下，而记忆台金在 T 4 o K时随台垒成 分的变化 其工 作能 力约为 l 5 M m ， 此数 值远远 超过 热双金属 片。 其 原因主要 在于 记忆台 金的 行 程 太子双金属l片，其掾还因为热双金属片只能进行弯曲形变，因而未
15、能充分利用材料的 瞽 在偿 由， 厦2记忆台金刚有很高的利用率。 利用记忆合叠的上述特点可将热髓直接转换为机械 能，其工作球理期图 9“ 。记忆合金母相 ( 高温相 )的 强度 比马氏体 (低温相 )高， 加 热时母相将产 生 克服普 通弹 簧外力 的 回复力 而作功 ，使 “ 轴 向右方移动， 冷 却 时记忆台 金强度 下降， 为普 通弹簧 所压缩， “ 轴” 向 左方移动。显然记忆台金显示出了比热双金属片高得多 的工作能 力。 根 据 这一特 点， 已利用记 忆台金 制造成驱 动器用于机器犬酶各种构件。试制成利用热能转换的热 能发 L 等 4 使 用 的定性 皂l 己鲁盘 弹簧 酱锺弹燕
16、同 9 蓐 状记 忆音 盘 弹簧 的工 作 原 殚 示 意 图 热双 金属片 的形 状改变 效应 的稳 定性很 高，可 达 到21 0 次， 温度 与位移 的线性关 系 也 比较稳定 。 记忆台金的稳定性 与使用时的形变率有关， Ni Ti 及C u Z AI 合金， 在形变率为0 5 时，可分别达到1 0 次及l 敬。形变率愈小则使用寿命愈高，这与循环过程 因马氏体相界的 反复移动产生的位错有关，它们使一部分马氏体丧失热弹性而稳定化，并降低有序度 n 。 反映稳定性的另一个方面是循环过程中转变温度的变化，在受外力的循环过程中，转变温度 会出现上升或下降，经一定循环次数后方能相对稳定， 困此影
17、响控制温度的精度。可以认 为t目前在使用的稳定性上总的说来记忆台金 尚不如热双金属片。但在一定的使用寿命条件 下由于记 忆舍 金 具有热双 金属片所 不具备 的一系 列优点， 因而 东良好 的发展前 晟。 。 四、 结束语 【l 上从记忆台金 与热双金属片各自 。的特性 出发进行了比较全面的比较， ( 下转第4 8 页 ) ： 36 。 维普资讯 http:/ 台 垒 东 Ni - C f 一 A1 F e _ N i - A 1 AE Z - C d F N 一 P 温 度 1 1 0 0 1 0 O 0 e O 0 1 1 0 0 棍 Y 交 点庸 分 时 e 7 Cr - 3 2 A1
18、3 5 5 Ni - 7 0 A1 1 1 o Z a- 5 7 Cd 2 3 9 P- 0 2 8 Ni D 1 I 1 O l 0 1 e 2 0 2 0 7 1 6 1 2 8 D I 2x1 D1 o O 3 5 一O 1 O ， e 6 1 D ：l 10 1 D 0 9 1， 一0 0 6 8 0 2 3 98 D I 2 1 0 1 D 1 0 5 O 1 2 5 5 9 作 者 He s b n t C h e n Ca r l s o r He ywa r d 参考文献 4 5j e 7 组 元( C或Me ) ( Ca l mo l e ) “ 组元 ( C或 MO ( C
19、a l mo e ) C B g 1 0 T C u 4 2 0 O T Ma 一5 0 7 o T w 2 3 4 3 6 2 1 4 T S l 4 8 47 3 7 0 T V 一2 4 5 6 0 T Ni 一2 2+7 0 0 T Nb 一2 8 7 7 0 T c f 2 4 4 一a 8 4 0 0 T Co 2 8 0 o lT Mo 3 8 6 5 1 7 8 7 0 T 1 【2 E 3 0 r 【8 【9 1 0 ( 上接第3 6 页 ) 与传统的热双金属片相比，记忆合金具有行程太 对温度的变化反应灵 敏，工作能力大 I 可加工成各种形状， 完成不同的动作| 材料利用率高
20、等优点， 并兼有感温和驱 曲两种功能。但记忆合金尚存在着稳定性较低，工作温度范围偏窄等缺点，当前国内外材料 研究人员，正在为改善上述缺点，开展大量的研究、相信将逐步得到克服，在另一方面也应 认识到对于记忆台金、显然不必也不可能在所有情况下去全面吐 电 取代传统的热双金属片。关 键在于选择确当的应用场合，以真正充分发挥记忆合金本身行程大，工作能力大，兼有感温 驱动两种功能等方面的特色，这就需要育更多的工程技术人员了解和熟悉这一材料，使它能 得到l应用，并在应用过程中不断加以完善，这也就是撰写本文的目的。 参考文献 1 f- g $ E 4 5 E 6 3 门 【盯 0 4 8 e l L c u v e n ， 1 9 8 4 l 8 9 维普资讯 http:/