形狀記憶合金SMA（Shape Memory Alloy）是一種由兩種以上金屬元素構成的具有形狀記憶效應的合金材料。形狀記憶效應指的是材料在受到外力作用下發生變形，通過加熱或其他方式恢復到其預先設定形狀的能力，產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相變，其主要特點是無擴散過程，原子協同小范圍位移，通過類似于孿生的切變方式形成亞穩態的新相，并且新舊兩相化學成分相同。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和超彈性最好成為商業上應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，廣泛地應用于機械電子、航空航天、醫療器械、土木工程等領域。

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）結構，低溫相是馬氏體相，具有B19’（單斜結構），高溫相和低溫相的轉變是可逆的，可通過溫度誘發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發生的，從奧氏體轉變為馬氏體（馬氏體正相變）開始的溫度稱為馬氏體開始溫度（Ms）。其體積分數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進行，馬氏體相變完成，此時溫度稱為馬氏體結束溫度（Mf），低于Mf溫度，奧氏體完全轉變為馬氏體。反之，在加熱到奧氏體開始溫度（As）之上時，發生馬氏體逆相變，馬氏體開始轉變為奧氏體，馬氏體到奧氏體轉變完成的溫度是奧氏體結束溫度（Af）。

Ni-Ti基形狀記憶合金一般通過在高溫（奧氏體相）狀態下預設形狀，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變為奧氏體相，材料會自動恢復到其預設的形狀。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，依據中華人民共和國醫藥行業標準 YY/T 0641-2008所述，由于NiTi合金的化學分析方法精度不夠，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產生的參比樣品（空坩堝）在指定氣氛下，以控制的速率，在相變溫度區間加熱和冷卻，當樣品發生相變時，在樣品和參比物間產生能量差，反應為熱流和溫度的關系曲線，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，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℃的循環進行分析。

測試結果

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生轉變，相變溫度采用切線法標定，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生轉變，奧氏體相變的開始溫度As值為10.18℃，結束溫度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

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

[2] 梅海.NiTiTa 形狀記憶合金的馬氏體相變與形狀記憶效應[D]. 哈爾濱工程大學，2023