鈦鎳系形狀記憶合金(titanium—nickel shape memory alloy)

　　具有形狀記憶效應的功能鈦合金。物體在某一溫度下受力變形，去除外力后仍保持變形后的形狀，但在較高溫度下能自動恢復到變形前的原始形狀，這種現象稱為形狀記憶效應。

　　1938年美國格雷寧格(A．B．Greniger)等在銅鋅合金中觀察到形狀記憶效應。1963年美國海軍武器實驗室比勒(w．J．Buehler)等研制出稱為鎳鈦的(Nitinol)的形狀記憶合金，并用于航天器。從此，對形狀記憶效應和形狀記憶合金開展了廣泛的研究。70年代已研制成十幾種記憶合金。中國于1978年開始研制，1980年得到應用。

　　分類   鈦鎳系形狀記憶合金包括近等原子比的鈦鎳形狀記憶合金、寬滯后的鈦鎳鈮形狀記憶合金、窄滯后的鈦鎳銅形狀記憶合金。

　　鈦鎳形狀記憶合金鈦鎳是一種等原子比的金屬間化合物(Ti50Ni50)，實用合金成分為Ti-(49～51)％Ni(原子分數)。鈦鎳金屬間化合物具有延展性，可熱加工和冷加工，冷加工率為10％～25％，再結晶溫度為500～600℃。鈦鎳合金高溫相具有優良的耐磨、耐蝕性，低溫相具有良好的阻尼性，相變區域具有奇特的記憶性能和超彈性。鈦鎳合金的物理性能、力學性能和記憶性能分別示于表1和表2。(AS為馬氏體逆轉變為母相的開始溫度，Af為馬氏體逆轉變為母相的終了溫度)。

　　表1鈦鎳合金的物理性能和力學性能

　　鈦鎳鈮形狀記憶合金    Ti44Ni47Nb9合金的形狀開始恢復溫度As，與馬氏體開始轉變溫度Ms溫度差異很大，因此被稱作寬滯后記憶合金。如在-60℃馬氏體狀態給予適當的大變形，溫度滯后(As-Ms)可達150℃(Ms≈-90℃，As≈60℃)。一般二元合金As-Ms在10～30℃。用鈦鎳鈮合金制作緊固件管接頭，在低溫下擴徑，可在常溫下保存和運輸，不會發生形狀變化，不需要在液氮中保存，使用時只要加熱到80℃以上，即可方便地完成安裝，所以工程上應用十分方便。

　　鈦鎳銅形狀記憶合金銅在鈦鎳中溶解度高，用銅置換鎳原子高達30％(原子分數)，不影響高溫相的結構。鈦鎳銅合金特點是屈服極限較低，為100MPa(TiNi為200MPa，TiNiNb為300MPa)。鈦鎳銅形狀記憶合金的溫度滯后小，因此也稱為窄滯后形狀記憶合金，這有利于制作多次循環的驅動元件。

　　形狀記憶機制   鈦鎳形狀記憶合金依據不同處理工藝，可顯示形狀記憶效應和超彈性。

　　形狀記憶效應   形狀記憶效應(shape memory effect，縮寫為SME)與熱彈性馬氏體轉變有密切關系。TiNi記憶合金的高溫相為有序的體心立方CsC1型B：結構，低溫相馬氏體(M)為單斜B19型結構，中間相R為菱形結構，相變時發生B2?R?M或B2?M轉變。高溫相單晶冷卻到馬氏體轉變終了溫度Mf以下全部轉變成馬氏體，形成24種取向不同的變體，各變體間成自協調狀態，當外力作用時，通過孿晶界面和馬氏體晶界的遷移，相互吞食，馬氏體發生重新排列，形成馬氏體單晶，宏觀上出現變形，去除外力，加熱到Af溫度以上，馬氏體逆轉成單一取向的高溫相，恢復到材料在高溫時的宏觀形狀。隨后再進行冷卻，形狀保持不變，這就是所謂的“單程”形狀記憶。如果材料經過特殊“訓練”，在隨后的加熱和冷卻循環中，能重復地記憶高溫相和低溫相的兩種形狀，則稱為“雙程”形狀記憶。某些合金(如富鎳的鈦鎳合金經拘束時效)在出現雙程記憶的同時，繼續冷卻到更低溫度，出現與高溫相形狀相同、但方向完全相反的現象，稱“全程”形狀記憶。

　　超彈性   英語為pseudoelasticity (縮寫PE)。鈦鎳形狀記憶合金的彈性變形可達5％～20％，常稱之為超彈性。根據熱力學方程，記憶效應和超彈性與應力和溫度有關，低于As溫度表現為形狀記憶區，在As～Af之間為形狀記憶與超彈性混合區，在Af～Md(應力誘發馬氏體轉變極限溫度)為超彈性區，高于Af溫度產生滑移變形，形狀不能完全恢復。在高于Ar溫度低于Md溫度區間施加外應力，產生應力誘發馬氏體相變，在低應力下產生很大的應變，去除外力時，應力誘發馬氏體立刻發生逆轉變，應變消失，恢復到原始高溫相的形狀，即稱為超彈性。

　　應用   鈦鎳形狀記憶合金在電子儀器、機械器具、汽車、家電、建筑、能源、宇航、玩具、服裝、醫療等領域得到廣泛應用。尤其90年代TiNi記憶合金在醫學臨床應用得到迅猛發展。工業產品有各種溫度自動調節器、管接頭、火災報警器、記錄用筆的驅動部件、發動機防熱風扇離合器、排氣自動調節噴管、淋浴器、手機天線、記憶合金文胸等，醫療產品有牙科矯形絲、人工關節、接骨鋦釘、聚臏器、脊柱矯形棒、TiNi記憶合金各種支架，如食道、膽道、血管、氣管、前列腺尿道等記憶合金支架來治療各類管腔狹窄等。