应用故事 | 形状记忆合金的相态表征

形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是一种由两种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应、相变伪弹性等特性，广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。

形状记忆合金按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金（Ni-Ti SMA）、铜基形状记忆合金（Cu SMA）、铁基形状记忆合金（Fe SMA）3类。其中，镍钛基形状记忆合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金；铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等种类；铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。

由于SMA具有形状记忆效应和超弹性，以及耐磨性、耐腐蚀性、高阻尼性、高功重比、生物相容性等优越性能，被广泛应用于航空航天、汽车工业、机械电子、建筑工程、生物医疗等领域。其中，镍钛基形状记忆合金具有抗疲劳性、低应力水平下的循环稳定性、出色的生物相容性等优异性能而成为最重要的形状记忆合金，因此其应用最为广泛，可用作医用传感器、阻尼器、夹具与植入设备、执行器等。铜基形状记忆合金价格仅为镍钛基形状记忆合金的1/10，但其记忆效应、力学性能、耐腐蚀性能都较差，发展与应用受到一定的限制，需要在合金中添加一些微量元素来改善其性能。铁基形状记忆合金的特点是马氏体起始相变温度接近室温、形状记忆效应相对较好，且由于使用元素价格低，拥有极大的成本优势。但这一类合金相对较低的起始相变温度以及明显的滞后现象限制了其应用范围。

测试目的：表征形状记忆合金的相变温度从而确定形状记忆发生的温度。

测试参数：

测试谱图：

可以观察到，该镍钛合金升温时，仅有13.44 ℃处有一吸热峰，热焓为14.12 J/g，样品由马氏体转变为奥氏体。但是在降温曲线上，有两个放热峰，峰温分别为7.87 ℃和-39.17 ℃。说明该样品产生了两种相态。而两种相态的产生，会影响该合金的形状记忆效应，从而导致材料失效。

为了进一步探究两种相态产生的可能原因，我们又测了一种新的镍钛合金材料（用于齿科正畸）。

首先，我们将样品从-55 ℃加热至60 ℃，可以看到一个完整的马氏体奥氏体转变。转变峰温分别为15.81 ℃与11.89 ℃。

之后，我们取相同样品，改变不同的测试下限温度，得到曲线结果如下：

从表中结果可以观察到，如果将镍钛合金样品冷却至-55 ℃以下，该合金就会产生两种相态。而且，随着冷却温度的降低，其第一种相态对应的峰值温度也会随之降低。据此推测，前一种心脏支架用SMA的两相产生也可能与材料加工过程中的冷却工艺有关。还有待后续测试验证。

DSC是研究金属相变的一个强有力工具。我们不仅可以利用它来表征一些已有材料的相变特征温度，我们还可以借助DSC炉体温度宽范围，易控制的特点，研究不同加工工艺，会对金属材料相态造成的影响。

作者

周延

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