應用故事 | 形狀記憶合金的相態表征

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、生物醫療、機械電子、汽車工業、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、機械電子、建筑工程、生物醫療等領域。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穩定性、出色的生物相容性等優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，可用作醫用傳感器、阻尼器、夾具與植入設備、執行器等。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生的溫度。

測試參數：

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，樣品由馬氏體轉變為奧氏體。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。而兩種相態的產生，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。而且，隨著冷卻溫度的降低，其第一種相態對應的峰值溫度也會隨之降低。據此推測，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，會對金屬材料相態造成的影響。

作者

周延

耐馳儀器公司應用實驗室