形状记忆合金是一种新型的功能材料, 它已成为功能材料领域的研究热点之一。我们给已适当变形的材料以温度变化, 材料能自动做功而恢复变形前形状的效应称为“形状记忆效应”(shape memory effect,简称SME), 而具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)。

最早在金属中发现形状记忆效应可追溯到20世纪30年代。1938年, 美国的Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后, 苏联的Kurdiumov对这种现象进行了研究。1951年, Chang和Read在Au-47.5%Cd(原子数分数)合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁移。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后, Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。然而在当时, 这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年, 美国海军武器实验室Buehler 等人开发并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金Nitinol后, 才广泛引起了人们的兴趣, 对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段。1969年, Raychem 公司首次将Ti-Ni合金制成管接头应用于美国F14战斗机上;1970年, 美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪70年代, 相继开发出了Ti-Ni基、 Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金; 80年代开发出了Fe-Mn-Si基、 不锈钢基等铁基形状记忆合金。从20世纪90年代至今, 高温形状记忆合金、 宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。20世纪80年代初, 科研工作者突破了Ti-Ni合金研究中的难点, 从此以后, 形状记忆合金开始广泛应用于生产、 生活的各个领域。在各国申请的有关形状记忆合金的技术专利已逾万件, 投入市场付诸应用的实例已有上百种。同时, 随着智能材料、 智能机构研究的兴起, 又将形状记忆合金的应用推向了更广泛的领域。目前, 有关形状记忆合金研究的科技论文数已位居马氏体相变研究领域之首, 而且该类材料所涉及的应用领域极其广泛。

从发现形状记忆合金至今, 其发展已有70余年的历史。美国、 日本等国家对形状记忆合金的研究和应用开发已较为成熟, 同时也较早地实现了形状记忆合金的产业化。我国从20世纪70年代末才开始了形状记忆合金的研究工作, 起步较晚, 但起点较高。在材料冶金学方面, 特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认, 在应用开发上也有一些独到的成果。但是, 由于研究条件的限制, 在形状记忆合金的基础理论和材料科学方面的研究上, 我国与国际先进水平尚有一定差距, 尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大。

近10年来, 我国在形状记忆合金基础理论研究方面有了很大发展, 在形状记忆合金的应用和开发方面更是取得了长足进步。现在, 我国的形状记忆合金产业化进程正方兴未艾, 国内涌现了一大批以形状记忆合金原料及产品为主要生产、 经营项目的高科技公司。可以预见, 未来几年我国形状记忆合金的研究和应用开发将会有令人瞩目的发展, 甚至可能出现较大的突破。

除了金属材料外, 人们还发现在非金属材料(如高聚物和陶瓷) 中也存在形状记忆现象, 但目前尚处于初期探索阶段。

现在已发现具有形状记忆效应的合金至少有:

① Ti-Ni、 Ti-Nb、 Ti-Ni-X(Fe、Cu、Au、Pt、Pd)。

② Au-Cd、 Au-Cu-Zn。

③ Cu-Zn、 Cu-Zn-Al、 Cu-Zn-Sn、 Cu-Zn-Ni、 Cu-Zn-Si、 Cu-Zn-Ga、 Cu-Al-Ni、 Cu-Al-Mn、 Cu-Al-Si。

④ Ag-Cd、 Ag-Zn、Ag-Zn-Cd。

⑤ Ni-Al、 Ni-Al-Co、 Ni-Al-Ti。

⑥ Co-Ni。

⑦ Fe-Ni、 Fe-Ni-Co-Ti、 Fe-Mn、 Fe-Mn-C、 Fe-Mn-Si、 Fe-Mn-Si-Ni(Cr)、 304不锈钢和Fe-Pt等。