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揭秘秦始皇陵出土青銅劍為何千年不腐，被壓彎后還能自動恢復(fù)原形

2019-04-30 14:51:00 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò)資料綜合整理分享至：

青銅是我國比較早掌握的一種材質(zhì)，所以古代很長一段時間，青銅器都占據(jù)著主導(dǎo)地位，很多作戰(zhàn)裝備也都是青銅材質(zhì)，所以在考古的時候，也出土了不少青銅期間。在我國的考古史中，有兩把比較有名氣的青銅劍，來自勾踐和夫差，但是中國歷史這么多年，除了這兩把劍比較令人驚訝之外，在秦始皇陵當(dāng)中也曾有把青銅劍讓專家驚嘆。

從上世紀(jì)七十年代，我國發(fā)現(xiàn)了兵馬俑開始，對秦始皇陵的每一次探索都有很多意外驚喜，在1994年的時候，這里出土了一批青銅劍，雖然在地下已經(jīng)埋藏了上千年，但卻在出土的時候依然像新的一樣有光澤，周身沒有看到一點(diǎn)腐蝕的痕跡，而且用起來也還是相當(dāng)鋒利。專家在這些青銅劍上發(fā)現(xiàn)了一層鉻鹽化合物，這對劍身起到了很好的保護(hù)作用，所以才會使它們出土的時候沒有受到任何損傷。要知道這項技術(shù)外國再造還是在上世紀(jì)就是年代才實(shí)現(xiàn)的，所以這個結(jié)果一出來，在全世界都引起了轟動。

當(dāng)然在出土這些青銅劍的時候，還有一把比較意外。當(dāng)時在一號兵馬俑當(dāng)中地一個過洞里發(fā)現(xiàn)了一把青銅劍，只是專家在準(zhǔn)備將其拿出來的時候，卻皺起了眉頭，因?yàn)檫@把劍上面被重物壓著，已經(jīng)產(chǎn)生了很大的彎度，顯然是在入葬的時候被壓到，但是在專家將上面的東西移走之后，這把青銅劍卻慢慢反彈回來，雖然說上面還有一些痕跡，但基本上已經(jīng)恢復(fù)到了原來的模樣，這樣的怪事讓在場的專家也非常詫異，那個時候的冶煉技術(shù)已經(jīng)這么高超了？

當(dāng)然這一現(xiàn)象在現(xiàn)在我們是可以解釋的，就是特殊形狀記憶效應(yīng)，就像我們用于較真牙齒的金屬牙套一樣，它自己有金屬記憶功能，只要偏離原來的形狀，它可以實(shí)現(xiàn)自動修正。關(guān)鍵是這個技術(shù)最早是被哈佛大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，直到上世紀(jì)六十年代才開始出現(xiàn)在航天等重大領(lǐng)域中，而發(fā)現(xiàn)也頂多是在三十年代，秦朝居然就能有這樣的工藝技術(shù)，這不得不為老祖宗鼓掌了。

當(dāng)然專家也對這把青銅劍的成分進(jìn)行了研究，這里面是一種銅鐵合金，其中還包含了錳、矽這樣的元素，確實(shí)可以成為記憶合金，加上表面的防氧化處理，這些青銅劍才能帶來這么多震撼。

延伸閱讀

大揭秘：形狀記憶合金為什么會有“記憶”！

人有記憶，不稀奇，但是金屬竟然也有記憶，這就神奇了！形狀記憶如何擁有“記憶”？請看本文。

每個人理所當(dāng)然的會記住各種有用的事情。長相、名字、住址，名人面孔、家庭成員生日，也許你還會說一兩種外語。然而，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)無生命物體也能有一種記憶性。金屬湯匙中的原子幾乎一直保持在同一個地方：一旦形成勺子，永遠(yuǎn)是勺子。你可以用鉗子把勺子掰彎，它就變成面部全非的金屬片。但是如果勺子用記憶合金做的，那勺子形狀記憶不會消失。如果再次加熱，它會神奇地變成原來形狀！形狀記憶神奇材料最廣為人知的應(yīng)該是“堅不可摧的”眼鏡支架和胸罩內(nèi)的金屬架，但是其實(shí)它們有著各種各樣的神奇用途，尤其在醫(yī)學(xué)和航天領(lǐng)域。

彈性與塑性

如果知道一點(diǎn)材料學(xué)知識并知道當(dāng)拉伸或擠壓材料，材料的應(yīng)力應(yīng)變情況，這將對理解形狀記憶概念有所幫助。

像湯匙這樣的固體，除非施加應(yīng)力，否則它一直保持著勺子形狀。這毫不意外！因?yàn)楸举|(zhì)上意味著“固體”。用一個足夠大的力，一個物體總是會改變形狀或變形；它具體變成什么樣取決于材料。某些材料是脆性的，而且根本不會改變形狀。如果勺子是玻璃或者木頭制成的，彎曲的次數(shù)過多就會斷裂成碎片。

如果它是由厚橡膠制成的，在拉伸或擠壓時會有微小變形，然而當(dāng)移走施加應(yīng)力的瞬間，它就會恢復(fù)到原來形狀。這種行為定義為彈性：物體在外力作用下發(fā)生形變，外力撤銷時則恢復(fù)到原來形狀，我們說它是彈性的，并且完全可逆的拉伸過程是彈性變形。我們經(jīng)常談?wù)?ldquo;彈性”，仿佛它是材料本身的屬性，但實(shí)際上彈性單指那些擁有彈性的人工的、橡膠材料。甚至金屬也有彈性，只要你不用力拉伸，特別是它們做成彈簧。

如果勺子是塑料的？意味著可以將至彎曲永久變形。當(dāng)停止用力，勺子保持著新形狀而不會回到原來的形狀。這種行為定義為塑性，同時也可以解釋塑料的命名。塑料是由大分子（聚合物）制成的化學(xué)品，通常在制造過程中（或者之后）成形，因?yàn)榉肿渔湻浅Ｈ菀谆啤Ｍǔ＃芰显诠S中由熔融態(tài)，模具成型，然后冷卻使之硬化（凝固）。但是就像“彈性”一樣，塑性指的是它的行為，而不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金屬是塑性的，因?yàn)榭梢詠砘貜澢粫氐皆瓉硇螤睢＿@種不可逆的變形稱為塑性形變。

什么是形狀記憶？

材料科學(xué)就是選擇最好的材料來做某項特定的工作。例如，設(shè)計一個噴氣式發(fā)動機(jī)，可以選擇非常輕而且能夠耐高溫的堅固材料——鋁、鈦或者合金。但是如果你想要做一個低溫下表現(xiàn)某種方式，但是加熱時表現(xiàn)卻不同的飛機(jī)零件呢？這種情況下，你可以使用形狀記憶合金，它可以隨著溫度變化自動重塑。

普通的金屬沒有形狀記憶。如果坐在鋁制眼鏡架上并且永久的彎曲它們，它們很難回到原來的樣子。你必須照著自己記憶中眼鏡框的樣子辛苦地去調(diào)整，就算是這樣，也很難保證眼鏡框回到以前的樣子。而且如果來回彎曲次數(shù)太多，鏡框達(dá)到疲勞強(qiáng)度可能會永遠(yuǎn)的斷裂。

形狀記憶金屬與普通金屬表現(xiàn)不同。它們是強(qiáng)而輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多的金屬）。它們可以“編程”記住原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通過加熱使它們重新恢復(fù)到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應(yīng)（既然加熱能使它改變，也可以稱之為熱形狀記憶效應(yīng)）。某些形狀記憶金屬在熱的時候記住一種形狀，但在冷卻時候記住另一種形狀，所以冷卻時它們變成一種形狀，但加熱時它們“忘記”原來形狀，頸縮成一個不同的形狀。這被稱為雙向形狀記憶效應(yīng)。現(xiàn)在，假如可以做一種形狀記憶體，即使彎曲和扭曲很多次即使沒有加熱，但仍然可以恢復(fù)成原來形狀？這是形狀記憶的一個方面叫作偽彈性或超彈性，它適用于那些超級柔軟，幾乎堅不可摧的眼睛框，制造商說它至少比鋼柔韌十倍！

雖然鎳鈦合金（又稱為鎳-鈦，Ni-Ti）可能是最廣為人知的形狀記憶合金，但是實(shí)際還有許多其他形狀記憶合金，包括銅鋅鋁合金，銅鋁鎳合金，鐵錳硅合金；還有相當(dāng)多其他種類的。你也能發(fā)現(xiàn)以品牌命名的形狀記憶合金例如FLEXINOL?和Muscle Wires?，這是由該公司特有的鎳鈦合金。

形狀記憶如何發(fā)揮作用？

最容易理解形狀記憶的方式是記住發(fā)生在材料內(nèi)部（即原子和分子的納米尺度）的變化也許和外部看起來發(fā)生的完全不同。

拉伸橡皮圈，在它內(nèi)部交聯(lián)和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤銷拉力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作機(jī)理。形狀記憶是不同的。彎曲形狀記憶合金物體使其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)變形。不進(jìn)行處理，它就會保持永久的彎曲形狀。然而對其加熱，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但是你變形后使物體恢復(fù)到原來形狀不需要溫度。如果彎曲了一對形狀記憶眼鏡框，所施加的應(yīng)力使鈦合金變成完全不同的晶體結(jié)構(gòu)；放開手后晶體結(jié)構(gòu)恢復(fù)，眼鏡框回到原來的形狀。

形狀記憶和超彈性發(fā)生的是固體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在兩種不同的晶體形式之間的轉(zhuǎn)換，換句話說，它的分子以完全可逆方式重新排列。這就是固態(tài)相變，它聽起來比實(shí)際情況復(fù)雜。其實(shí)我們都習(xí)慣了相變：你把冰塊放到飲料里然后它融化了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊融化，其分子從緊密堆積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成更松散和更流動的結(jié)構(gòu)，所以水從固相（冰）轉(zhuǎn)變成液相（平常的液體水）。發(fā)生在固態(tài)相變中的大致相似的事情是材料在轉(zhuǎn)變前和后都是固體，因?yàn)樵谡麄€過程中所有分子之間保持的非常近。

形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩種結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變。在低溫時，它們呈現(xiàn)相對柔軟、塑性和容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形的奧氏體。假設(shè)你有一個形狀記憶電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀。它的內(nèi)部是馬氏體，這就是它容易變形的原因。無論你怎么彎曲電線，它都保持新的形狀；就像任何普通的電線，它看起來像在進(jìn)行普通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線微微加熱（高于相變溫度），其內(nèi)部變成奧氏體，在熱能作用下內(nèi)部原子重新排列然后電線恢復(fù)到原來形狀。冷卻下來，電線重新恢復(fù)成馬氏體，仍然恢復(fù)成原來形狀。如果整個過程中材料的溫度高于相變溫度，你可以使其變形，但是當(dāng)你釋放你施加的應(yīng)力，它立刻恢復(fù)到原來的形狀。

形狀記憶令人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉(zhuǎn)換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然后可以用不同的方式去彎曲它。但是當(dāng)你加熱你剛剛隨意彎曲的電線，它總是回到一條單一、明顯的形狀。我們可以這樣理解這一點(diǎn)，材料在馬氏體狀態(tài)下可以愉快地變成任何晶體形式。但是當(dāng)它在奧氏體時，它只有一種晶體形式。這也是最穩(wěn)定的狀態(tài)，也即最低能量狀態(tài)。

當(dāng)施加應(yīng)力（壓力）而不是加熱時，超彈性和形狀記憶表現(xiàn)相似。通常，組成合金的是奧氏體的韌性形式。假設(shè)對形狀記憶眼鏡施加應(yīng)力（就是彎曲它們），奧氏體轉(zhuǎn)換成馬氏體后非常容易變形。放開鏡框后馬氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最原始的形狀。

形狀記憶合金用途？

Arne Olander在上世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)金-鎘合金中存在形狀記憶效應(yīng)，但是在上世紀(jì)60年代美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出鈦鎳合金之后，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年后，形狀記憶金屬已經(jīng)是所有醫(yī)學(xué)和健康相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域最平常的選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內(nèi)線到眼鏡框（以Flexon品牌出售）。與塑料、金屬或傳統(tǒng)合金不同，形狀記憶合金兼具堅固和柔韌的優(yōu)點(diǎn)，易于消毒并耐腐蝕。由于輕質(zhì)、堅韌并能在高溫下工作的特性，形狀記憶合金也廣泛應(yīng)用于航空航天部件，例如火箭和空間探測器。

形狀記憶合金在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用快速增長。有時人們需要設(shè)計特殊用途的機(jī)器人到傳統(tǒng)機(jī)器人無法到達(dá)的地方：可能需要在十分堅實(shí)的火箭上炸出孔洞，或者需要在門口悄悄的監(jiān)視罪犯。考慮到這些，工程師們開始設(shè)計由形狀記憶合金制成的自動展開機(jī)器人。它們開始時折疊在一起，當(dāng)他們需要被激活時，電流通過機(jī)器人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預(yù)編程”的穩(wěn)定不變機(jī)器人形狀。

形狀記憶聚合物

形狀記憶合金聽起來高大上，但是它們也有缺點(diǎn)：形狀記憶合金比普通不銹鋼更易達(dá)到疲勞強(qiáng)度（多次重復(fù)變形后斷裂），而且比傳統(tǒng)的鋼或鋁合金的制造成本更高。上世紀(jì)90年代，材料學(xué)家開始開發(fā)與形狀記憶合金相似且具有形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶聚合物（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)镾MPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最密切相關(guān)的是SCPs（形狀改變聚合物），當(dāng)它們受熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形狀；然而當(dāng)冷卻的時候，其恢復(fù)形狀。雖然自愈合材料（一種損傷后自我治愈的材料）也可以在多種不同的方式下工作，它們與SMPs非常相似。例如，可以設(shè)想一下，一個塑料機(jī)身可以吸收射入的子彈的動能后轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，并用內(nèi)能激活形狀記憶效應(yīng)使聚合物恢復(fù)到原來形狀，迅速愈合和密封。

一文讀懂形狀記憶合金

1 概論

具有形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect，SME）的合金稱為形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）。經(jīng)過80多年的發(fā)展，SMA已發(fā)展成為普通SMA、高溫SMA、磁性SMA和復(fù)合SMA等4大類100多種。

形狀記憶合金中的相和晶體結(jié)構(gòu)

形狀記憶合金與形狀記憶聚合物的性能比較

SMA的種類

普通SMA主要包括Ni-Ti基、Cu基、Fe基、Ag基、Au基、Co基SMA等，其中Ni-Ti基SMA性能最好，應(yīng)用最廣。

普通SMA的成分范圍和馬氏體相變開始溫度點(diǎn)（Ms）

高溫SMA。Ti-Ni基、Cu基和Fe基等SMA的相變溫度較低，不適用于制作工作溫度超過150℃的元件。因此分別在Ni-Ti、Cu-Al-Ti、Ni-Al等合金的基礎(chǔ)上加入其它元素形成高溫SMA。但大多數(shù)高溫SMA塑性和抗疲勞性能差，制造成本較高。目前只有Ti-Ni-Pd、Ti-Ni-PT、Ni-Ti-Hf，Ni-Ti-Zr和Cu-Al-Ni-Mn合金有望用于100~300℃環(huán)境。

高溫SMA及其特性

高溫SMA的種類、馬氏體類型、合金化元素及其作用

磁性SMA又稱鐵磁SMA（FSMA），其驅(qū)動靠磁場傳輸而不是靠相對緩慢的傳熱機(jī)理，故可用于制作高頻（達(dá)1kHZ）驅(qū)動器。磁性SMA利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的變體，從而產(chǎn)生宏觀變形。磁場強(qiáng)度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位置。磁性SME只存在具有熱彈性馬氏體相變的磁性合金中，典型磁致SMA有NiMnGa、NiFeGa、Fe基和Co基合金等。

MSMA適合填補(bǔ)形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術(shù)空缺，適用于低應(yīng)力大位移的馬達(dá)和閥門場合。MSMA硬而脆，難成行，僅適用于低溫場合，不適合于高溫度大應(yīng)力場合。

SMA集感知和驅(qū)動于一體，通過改變環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)對外作功，故可制作智能驅(qū)動器和減振器，也可實(shí)現(xiàn)對材料損傷的主動監(jiān)控。將SMA材料與其他材料結(jié)合將獲得綜合性能優(yōu)異的復(fù)合SMA。

SMA與其他材料的性能比較

2 性能

MA具有SME、SE、高阻尼、高驅(qū)動應(yīng)力應(yīng)變、高能量密度、較高能效、較低動作頻率以及相變誘發(fā)塑性等特性。

SMA的特性

2.1 形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶效應(yīng)是指特定合金在高溫下處理成一定的形狀，然后冷卻至低溫馬氏體相變狀態(tài)Mf后，將進(jìn)行一定限度的塑性變形后，然后再加熱到高溫母相狀態(tài)（Af）時，又恢復(fù)到低溫變形前形狀的效應(yīng)。

Fe在910℃以下為體心立方晶格結(jié)構(gòu)的a-Fe；910℃以上為面心立方晶格結(jié)構(gòu)的γ-Fe；碳元素溶解到a-Fe中形成的固溶體為鐵素體（F）；碳元素溶解到γ-Fe中形成的固溶體為奧氏體（A）；如果奧氏體以較大的冷卻速率過冷，奧氏體中的碳原子無法擴(kuò)散，奧氏體直接轉(zhuǎn)變成含碳過飽和的固溶體，稱為馬氏體（M），馬氏體的強(qiáng)度和硬度高、塑性低及脆性大。馬氏體相變開始和相變結(jié)束的溫度分別表示為Ms和Mf，馬氏體逆相變（轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體）的開始和結(jié)束的溫度分別表示為As和Af。

奧氏體、鐵素體、馬氏體的晶胞示意圖

等溫轉(zhuǎn)變示意圖（A—奧氏體，P—珠光體，B—貝氏體，M—馬氏體）

馬氏體轉(zhuǎn)變過程示意圖

形狀記憶合金的3種形狀記憶效應(yīng)

單程記憶效應(yīng)指SMA在低于馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms下應(yīng)力加載變形，應(yīng)力去除后，隨之加熱至母相逆轉(zhuǎn)變開始溫度As以上，恢復(fù)變形前形狀，隨后在冷熱循環(huán)中，合金的形狀不改變。

雙程記憶效應(yīng)指SMA在低于Ms下應(yīng)力加載變形，應(yīng)力去除后，加熱至As以上，回復(fù)至初始形狀，隨后在加熱和冷卻循環(huán)中，合金升溫變?yōu)楦邷谹時的形狀，冷卻變成低溫M時的形狀。

全程記憶效應(yīng)指SMA在低于Ms下應(yīng)力加載變形，應(yīng)力去除后，加熱至As以上，恢復(fù)初始形狀，但冷卻后，合金的形狀與初始形狀相反。該效應(yīng)出現(xiàn)在固溶時效態(tài)富鎳Ti-Ni形狀記憶合金中。

形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。

形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據(jù)不同的熱力學(xué)載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能：形狀記憶效應(yīng)、偽彈性。

SMA形狀記憶效應(yīng)示意圖

2.2 超彈性

超彈性（Superelasticity, SE）指SMA在加載變形后產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料的彈性極限應(yīng)變量，當(dāng)應(yīng)力去除后試樣恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。常溫下，處于A狀態(tài)下的合金在外界應(yīng)力作用下誘發(fā)M 相變，此時多個M 變體向最有利于變形的方向上趨于單一變體，合金的形狀發(fā)生變化。這種M只有在外界應(yīng)力存在的條件下存在，當(dāng)應(yīng)力去除后M會立即逆向轉(zhuǎn)變成母相，試樣的形狀也隨之恢復(fù)。

根據(jù)合金成分和熱處理工藝不同，SE分線性SE和非線性SE。不通過加熱即恢復(fù)到原來形狀的相變，其應(yīng)力應(yīng)變曲線是非線性的，稱為相變偽彈性，應(yīng)變完全恢復(fù)時稱為超彈性。

SMA 的SME和SE本質(zhì)屬同一種相變現(xiàn)象，只是誘發(fā)其逆向相變的原因不同。SME 的M 逆轉(zhuǎn)變是在應(yīng)力去除后，通過加熱升溫使M 發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變成母相狀態(tài)，SE 則是在應(yīng)力去除后，M自動發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變成母相狀態(tài)。

超彈性與形狀記憶效應(yīng)示意圖

2.3 高阻尼性能

高阻尼性能是由于晶體內(nèi)部的M相變，M變體之間的界面具有粘彈性，且在應(yīng)力作用下，M 相中形成的各種界面（孿晶面、相界面、變體界面）之間發(fā)生相對滑動產(chǎn)生滯彈性遷移，使應(yīng)變落后于應(yīng)力，可以將震動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，達(dá)到減震阻尼的效果。

金屬材料的阻尼按能量耗散的機(jī)理可分為熱彈性阻尼、磁性阻尼、位錯阻尼、界面阻尼等。

SMA通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能主要有3 種機(jī)制即：內(nèi)耗機(jī)制、M孿晶再取向機(jī)制，應(yīng)力誘發(fā)M機(jī)制。

內(nèi)耗機(jī)制指SMA在M相變的過程中會產(chǎn)生的M變體，其不同變體間的界面會產(chǎn)生相對運(yùn)動，并且能壘較低，應(yīng)次單力循環(huán)吸收能量少，但其震動頻率范圍大。

M孿晶再取向機(jī)制指的是在M相變過程中，M變體之間的各個界面首先發(fā)生孿晶的再取向方式，在應(yīng)力方向上，有利取向的變體長大，不利取向變體消失，最終所有的M孿晶變體再取向，形成一個最有利于變形的單一M變體。

應(yīng)力誘發(fā)M機(jī)制用SMA 超彈性應(yīng)力-應(yīng)變旗幟形狀曲線圖可以明顯看出，誘發(fā)M相轉(zhuǎn)變的應(yīng)力遠(yuǎn)高于M 逆相變的應(yīng)力。曲線面積即能量損耗轉(zhuǎn)變成內(nèi)能的功，達(dá)到阻尼效果。

3 工藝

3.1 形狀記憶合金的制備

形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，然后進(jìn)行熱軋、模鍛、擠壓，最后進(jìn)行冷加工。形狀記憶處理（一定的熱處理）是實(shí)現(xiàn)合金形狀記憶功能方面至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

TiNi形狀記憶合金單程記憶效應(yīng)的處理方法分為中溫、低溫、時效3種工藝。低溫處理：將合金在800 ℃以上退火處理，在室溫下根據(jù)應(yīng)用需要加工成型，然后在250~350℃保溫0.5 h，即成型。這種合金韌性好，易于加工成形狀復(fù)雜、尺寸較小的工藝產(chǎn)品，但其穩(wěn)定性較差，不耐磨；中溫處理：將合金置于低溫環(huán)境中（Ms以下）加工成形，然后放入高溫（Ms以上）環(huán)境下保溫一段時間，使之成型；時效處理：將合金在1000 ℃進(jìn)行固溶處理，隨之淬火，再放入400 ℃保溫1 h 時效處理。當(dāng)合金富Ni 時，具備析出第二相粒子并且強(qiáng)化合金的條件，適合時效處理，這種方法既能有效避免合金熔煉過程中Ti2Ni 型粒子的出現(xiàn)，又可提高合金的SME和SE。

TiNi形狀記憶合金具有雙程記憶效應(yīng)是因?yàn)楹辖鹬写嬖诜较蛐缘膽?yīng)力場或晶體缺陷，相變時馬氏體容易在缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長。通過記憶訓(xùn)練（強(qiáng)制變形）獲得雙程記憶能力：（1）先通過單程記憶效應(yīng)，記憶高溫相的形狀；（2）隨后在低于Ms溫度，根據(jù)所需形狀進(jìn)行一定限度的可恢復(fù)變形；（3）加熱到As以上溫度，試樣恢復(fù)到高溫態(tài)形狀后，又降低到Ms以下，再變形試件，使之成為低溫所需形狀；（4）反復(fù)處理后，就可獲得雙向記憶效應(yīng)。

3.2 形狀記憶合金薄膜的制備

Ti-Ni SMA薄膜的制備方法包括磁控濺射沉積法、熔體快淬法、閃蒸法、離子束濺射、脈沖激光沉積、電子束沉積、快速凝固甩膜法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)沉積法、等離子快速蒸鍍法和離子束輔助沉積法等。

磁控濺射沉積法指在真空室中，輝光放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下，加速后轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積成膜的方法。該方法具有操作簡單、沉積速度較快、與硅基微器件的制備工藝具有良好的兼容性、鍍膜密度高、薄膜成分與靶材成分基本一致等優(yōu)點(diǎn)，是目前制備Ti-Ni SMA 薄膜的主要方法。

熔體快淬法指在真空狀態(tài)下，給予熔融狀態(tài)的金屬或合金一定壓力，并注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，使其在極大的過泠度下得以凝固，從而獲得具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組織薄膜的方法。該方法具有價格低廉且合金薄膜化學(xué)成分較均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠得到納米級或非晶態(tài)的薄膜晶粒。工藝流程：母合金冶煉→澆鑄成錠→鑄錠在膜噴嘴試管中再熔化→熔化噴射→高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥→固化→薄膜和輥分離→收集膜子→晶化退火→破碎制粉→SPS燒結(jié)。目前，雖然熔體快淬法制備Ti-Ni 基SMA薄膜的研究有很大進(jìn)展，但仍然存在不少問題，如熔體溫度、壓力、輥速、合金成分、熱處理工藝等對薄膜組織性能的影響規(guī)律有待深入研究，以便優(yōu)化薄膜的成分、工藝、組織和性能。

4 應(yīng)用

SMA 能在一個較窄的溫度范圍內(nèi)獲得4%~8%的可逆回復(fù)應(yīng)變，如果加熱時阻止其應(yīng)變回復(fù)，則SMA可產(chǎn)生較大的反抗應(yīng)力。亦即在一定條件下通過改變溫度，SMA可以對外輸出力或位移。由于SMA具有感知和驅(qū)動雙重功能，以及能產(chǎn)生較大的可逆形狀響應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變，已在汽車、航空航天、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

SMA的應(yīng)用

4.1 汽車

在現(xiàn)代交通工具中，由于對更具有安全、舒適性能的交通工具的需求使得傳感器和驅(qū)動器的市場需求猛增。在汽車應(yīng)用上SMA 多作為線制動器（如：后視鏡折疊、溫度控制副翼、鎖控）和熱制動器（如：發(fā)動機(jī)溫度控制、碳化合物發(fā)動機(jī)潤滑、動力離合器）。

可微型化的SMA 驅(qū)動器有利于減小汽車組件的尺寸、重量和費(fèi)用，意義重大。如電驅(qū)動的遮光后視鏡縮放儀，SMA 靈活的汽車滾動副翼（輪）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁氣動效應(yīng)器，一個自動行人保護(hù)系統(tǒng)（彈起式閥蓋）用以減小行人受到撞擊作用的傷害，一個花費(fèi)有效的側(cè)鏡制動器，一個使用了FSMA 制動器的對目標(biāo)距離和目標(biāo)角度光傳感的微掃描系統(tǒng)。

汽車應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一是 SMA 與汽車電池的相容性。

SMA在汽車上的應(yīng)用

4.2 航空航天

形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。SMA 在航空航天領(lǐng)域得以成功應(yīng)用的還有致動器、結(jié)構(gòu)連接器、震動阻尼器、密封材料、釋放或展開機(jī)構(gòu)、可充氣結(jié)構(gòu)、操縱器和探路器等。如用在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機(jī)的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機(jī)高震動和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉(zhuǎn)。目前已開發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動降到最低。還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球，太陽的強(qiáng)烈的輻射使它恢復(fù)原來的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護(hù)靈敏的鍺探測器免受裝配和發(fā)射期間的污染。

形狀記憶合金在航空航天領(lǐng)域重的應(yīng)用

4.3 機(jī)器人

SMA 在機(jī)器人方面也有許多成功的應(yīng)用，如微致動器、人造肌肉等。但也面臨不少挑戰(zhàn)：硬件平臺的性能和微型化，集成系統(tǒng)的智能化（即小、快、可靠、自動化）。需要解決的技術(shù)問題包括固定困難、低電阻、微型電子鏈接（對微型機(jī)器人）、小應(yīng)變輸出、控制問題和超低效率等。

SMA 驅(qū)動器響應(yīng)速度受其形狀和尺寸的影響明顯。電阻加熱一般用于小型SMA 驅(qū)動器（最大直徑是400 微米），間接加熱應(yīng)用于厚驅(qū)動器，為增大驅(qū)動頻率，將電容器和厚驅(qū)動器復(fù)合在一起可獲得快速加熱反應(yīng)。可以采用冷卻措施以促進(jìn)冷卻過程，但這樣會造成設(shè)備笨重；此外，增加機(jī)器人的自由度必須增加驅(qū)動器的數(shù)量，這將會導(dǎo)致控制問題復(fù)雜。

形狀記憶合金在機(jī)器人領(lǐng)域已有和潛在應(yīng)用

4.4 生物醫(yī)藥

盡管 NiTi 合金比不銹鋼貴很多，但SMA 在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上展現(xiàn)出極好的性能，如其具有高耐腐蝕性，很好的生物相容性，無磁性，還有一些其它獨(dú)特的物理特性等，因此其在許多領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備和裝置上得到了應(yīng)用，包括骨科、神經(jīng)科、心臟科和介質(zhì)放射科、牙科等。產(chǎn)品包括血管內(nèi)支架、導(dǎo)管、醫(yī)療鑷子、骨錨、可變剛度植入物、動脈瘤治療、人造心肌、鏡框和引線等。