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形狀記憶合金SMA（Shape Memory Alloy）是一種由兩種以上金屬元素構(gòu)成的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料。形狀記憶效應(yīng)指的是材料在受到外力作用下發(fā)生變形，通過加熱或其他方式恢復(fù)到其預(yù)先設(shè)定形狀的能力，產(chǎn)生的原因是由于熱彈性馬氏相變及其可逆性，馬氏體相變是一種非擴散型固態(tài)相變，其主要特點是無擴散過程，原子協(xié)同小范圍位移，通過類似于孿生的切變方式形成亞穩(wěn)態(tài)的新相，并且新舊兩相化學(xué)成分相同。形狀記憶合金按材料成分分可分為NiTi基、Cu基和Fe基合金，NiTi基合金因為其形狀記憶效應(yīng)和超彈性最好成為商業(yè)上應(yīng)用最成功的形狀記憶合金，并且具有良好的耐腐蝕性與生物相容性，廣泛地應(yīng)用于機械電子、航空航天、醫(yī)療器械、土木工程等領(lǐng)域。

Ni-Ti基形狀記憶合金的高溫母相是奧氏體，具有B2（有序體心立方）結(jié)構(gòu)，低溫相是馬氏體相，具有B19’（單斜結(jié)構(gòu)），高溫相和低溫相的轉(zhuǎn)變是可逆的，可通過溫度誘發(fā)馬氏體進行可逆相變，溫度降低馬氏體長大，溫度回升馬氏體減小直至消失。NiTi 形狀記憶合金中的馬氏體相變是在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生的，從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（馬氏體正相變）開始的溫度稱為馬氏體開始溫度（Ms）。其體積分?jǐn)?shù)隨著溫度下降不斷增加，一旦溫度保持恒定，馬氏體相變不再繼續(xù)進行，馬氏體相變完成，此時溫度稱為馬氏體結(jié)束溫度（Mf），低于Mf溫度，奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。反之，在加熱到奧氏體開始溫度（As）之上時，發(fā)生馬氏體逆相變，馬氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，馬氏體到奧氏體轉(zhuǎn)變完成的溫度是奧氏體結(jié)束溫度（Af）。

Ni-Ti基形狀記憶合金一般通過在高溫（奧氏體相）狀態(tài)下預(yù)設(shè)形狀，將合金加工成所需的形狀并固定；然后通過冷卻到馬氏體相的溫度范圍（低于馬氏體開始溫度Ms）使得合金變得柔軟且易于變形，通過外力將其變形為臨時形狀；當(dāng)溫度升高到奧氏體完成溫度Af以上時，合金中的馬氏體相會轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，材料會自動恢復(fù)到其預(yù)設(shè)的形狀。所以馬氏體和奧氏體相變溫度（Ms、Mf、As和Af）的測量尤為重要，依據(jù)中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) YY/T 0641-2008所述，由于NiTi合金的化學(xué)分析方法精度不夠，不能通過測量合金NiTi含量比來確定相變溫度，推薦采用差示掃描量熱分析儀DSC直接測量已知熱加工史的退火樣品的相變溫度。DSC是一種測量試樣與參考物之間熱流差異的分析儀器，測量方法是將由相變行為的樣品（Ni-Ti合金材料）和無相變且沒有熱效應(yīng)產(chǎn)生的參比樣品（空坩堝）在指定氣氛下，以控制的速率，在相變溫度區(qū)間加熱和冷卻，當(dāng)樣品發(fā)生相變時，在樣品和參比物間產(chǎn)生能量差，反應(yīng)為熱流和溫度的關(guān)系曲線，測量出Ni-Ti合金材料相變過程中吸放熱情況，從而得到正逆相變溫度。

實驗部分

本文采用北京精微高博儀器有限公司下屬公司ISI的差示掃描量熱儀DSC 600 進行測試。樣品為我公司合作商Ni-Ti基形狀記憶合金材料進行DSC實驗，樣品形狀如下圖所示：

圖1 Ni-Ti 基形狀記憶合金材料

制樣：采用固體坩堝，剪取上述樣品前端與坩堝直徑長度一致的樣品放置坩堝內(nèi)，為保證樣品與坩堝接觸良好，取好樣品后蓋上蓋子并用壓片機將樣品壓平。

氣氛：氮氣，流量為50ml/min

樣品質(zhì)量：6.58mg

測試范圍：-20℃至50℃

升溫速率：10K/min

測試程序：以10K/min的速率從室溫25℃升高到50℃，然后以相同的速率降溫到-20℃，并再次從-20℃升溫至50℃，取-20至50℃的循環(huán)進行分析。

測試結(jié)果

圖2 Ni-Ti 基形狀記憶合金DSC曲線

由上圖可見：在降溫曲線（黑色）上觀察到放熱峰，此時Ni-Ti合金中奧氏體相向馬氏體相發(fā)生轉(zhuǎn)變，相變溫度采用切線法標(biāo)定，可由下圖3所示軟件自帶的DSC Peak Area 和DSC Onset功能進行選取，得出馬氏體正相變的開始溫度Ms值為14℃和結(jié)束溫度值Mf為8.18℃，峰值溫度Mp值為11.18℃；加熱曲線（紅色）上觀察到吸熱峰，此時Ni-Ti合金中馬氏體相向奧氏體相發(fā)生轉(zhuǎn)變，奧氏體相變的開始溫度As值為10.18℃，結(jié)束溫度Af值為18.51℃，峰值溫度Ap值為13.64℃。

圖3  DSC 600軟件分析功能

參考文獻(xiàn)

[1] 王碩，王元昊. 形狀記憶合金及其研究進展綜述[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新. 2020(21): 39-40

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