形状记忆合金（Shape-memory alloy SMA，智能金属，记忆金属，记忆合金，肌肉线，智能合金）是一种“记住”其原始形状的合金，并且当变形时，在加热时返回其预变形形状。 这种材料是传统执行器（如液压，气动和基于电机的系统）的轻质固态替代品。 形状记忆合金在机器人和汽车，航空航天和生物医学工业中具有应用。

概观
两种最普遍的形状记忆合金是铜 – 铝 – 镍和镍 – 钛（NiTi）合金，但SMA也可以通过合金化锌，铜，金和铁来制造。 虽然铁基和铜基SMA，如Fe-Mn-Si，Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，是市售的并且比NiTi便宜，但NiTi基SMA由于其稳定性而在大多数应用中是优选的。 ，实用性和卓越的热机械性能。 SMA可以存在两个不同的阶段，具有三种不同的晶体结构（即孪晶马氏体，去捻马氏体和奥氏体）和六种可能的转变。

NiTi合金冷却后从奥氏体转变为马氏体; Mf是冷却后向马氏体转变完成的温度。 因此，在加热过程中As和Af是从马氏体到奥氏体的转变开始和结束的温度。 重复使用形状记忆效应可能导致特征转变温度的变化（这种效应被称为功能疲劳，因为它与材料的微观结构和功能特性的变化密切相关）。 SMA不再受应力诱导的最高温度称为Md，其中SMA永久变形。

从马氏体相到奥氏体相的转变仅取决于温度和应力，而不是时间，因为大多数相变是，因为不涉及扩散。 类似地，奥氏体结构的名称来自类似结构的钢合金。 正是这两相之间的可逆无扩散过渡产生了特殊的性质。 虽然马氏体可以通过快速冷却碳钢由奥氏体形成，但这种工艺不可逆，因此钢不具有形状记忆性能。

ξ（T）表示马氏体分数。 加热过渡和冷却过渡之间的差异导致滞后，其中一些机械能在该过程中损失。 曲线的形状取决于形状记忆合金的材料特性，例如合金化。 加强工作。

可用效果
形状记忆合金可以传递非常大的力而没有明显的疲劳到几十万次运动周期。 与其他致动器材料相比，形状记忆合金具有迄今为止最大的特定工作容量（完成的工作与材料体积的比率）。 形状记忆元件可以运行数百万次循环。 然而，随着循环次数的增加，形状记忆元件的性质例如可能在转换后保持残余应变。

原则上，所有形状记忆合金都可以执行形状记忆效应。 相应的期望效果是制造和材料技术的任务，并且必须通过调节操作温度和优化效果尺寸来训练。

单向与双向形状记忆
形状记忆合金具有不同的形状记忆效应。 两种常见的效果是单向和双向形状记忆。 效果示意图如下所示。

程序非常相似：从马氏体开始，为单向效应添加可逆变形或为双向添加不可逆量的严重变形，加热样品并再次冷却。

单向记忆效应
当形状记忆合金处于冷态（低于As）时，金属可以弯曲或拉伸，并保持这些形状直到加热到转变温度以上。 加热后，形状变为原始形状。 当金属再次冷却时，它将保持热形状，直到再次变形。

由于单向效应，从高温冷却不会导致宏观形状变化。 需要变形以产生低温形状。 在加热时，转变从As开始并在Af处完成（通常为2至20℃或更热，取决于合金或负载条件）。 由合金类型和组成决定，可在-150℃和200℃之间变化。

双向记忆效应
双向形状记忆效应是材料记忆两种不同形状的效果：一种在低温下，一种在高温下。 据说在加热和冷却期间显示形状记忆效应的材料具有双向形状记忆。 这也可以在不施加外力的情况下获得（内在的双向效应）。 材料在这些情况下表现如此不同的原因在于训练。 训练意味着形状记忆可以“学习”以某种方式表现。 在正常情况下，形状记忆合金“记住”其低温形状，但在加热以恢复高温形状时，立即“忘记”低温形状。 然而，可以“训练”“记住”以留下一些在高温阶段中变形的低温条件的提醒。 有几种方法可以做到这一点。 受热超过某一点的受塑造的受控物体将失去双向记忆效应。

伪弹性行为（“超弹性”）
在形状记忆合金中，除了普通的弹性变形之外，还可以观察到由外力引起的形状的可逆变化。 这种“弹性”变形可以超过传统金属的弹性达20倍。 然而，这种行为的原因不是原子的结合力，而是材料内的相变。 该材料必须存在于具有奥氏体结构的高温相中。 在外部应力下，以面心为中心的立方体形成奥氏体，在四方扭曲（体心或立方体中心，四方扭曲晶格）马氏体（应力诱发马氏体）周围。 当排出时，马氏体变回奥氏体。 由于每个原子在转变过程中保留其相邻原子，因此也称为无扩散相变。 因此，该属性称为伪弹性行为。 当内部张力恢复到原始形状时，材料会恢复。 不需要改变温度。

SMA还显示出超弹性，其特征在于相对大的应变的恢复，然而具有一些消散。 除了温度诱导的相变之外，还可以响应机械应力诱导马氏体相和奥氏体相。 当SMA在奥氏体相中加载时（即高于某一温度），当达到临界应力时，材料将开始转变为（孪晶）马氏体相。 在继续加载并假设等温条件下，（孪晶）马氏体将开始变形，使材料发生塑性变形。 如果在塑性之前发生卸载，则马氏体转变回奥氏体，并且材料通过产生滞后来恢复其原始形状。 例如，这些材料可以可逆地变形到非常高的应变 – 高达7％。 Shaw＆Kyriakides的实验工作以及最近Ma等人的实验工作提出了对伪弹性行为的更全面的讨论。

历史
20世纪30年代首次报道了发现形状记忆效应的步骤。 根据Otsuka和Wayman的说法，ArneÖlander在1932年发现了Au-Cd合金的伪弹性行为.Greninger和Mooradian（1938）通过降低和提高Cu-Zn合金的温度来观察马氏体相的形成和消失。 十年后，Kurdjumov和Khandros（1949）以及Chang和Read（1951）广泛报道了由马氏体相的热弹性行为决定的记忆效应的基本现象。

镍钛合金最初由美国海军军械实验室于1962年至1963年开发，并以商品名Nitinol（Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories的首字母缩写）商业化。 他们的卓越属性是偶然发现的。 在实验室管理会议上呈现了多次弯曲变形的样品。 其中一位助理技术总监David S. Muzzey博士决定看看如果样品受热并将其管道打火机放在下面会发生什么。 令所有人惊讶的是，样品延伸回原来的形状。

还有另一种称为铁磁形状记忆合金（FSMA）的SMA，它在强磁场下会改变形状。 这些材料特别令人感兴趣，因为磁响应往往比温度引起的响应更快且更有效。

金属合金不是唯一的热响应材料; 形状记忆聚合物也已经开发出来，并在20世纪90年代后期开始商业化。

水晶结构
许多金属在相同的成分下具有几种不同的晶体结构，但是大多数金属没有显示出这种形状记忆效应。 允许形状记忆合金在加热后恢复其原始形状的特殊性质是它们的晶体转变是完全可逆的。 在大多数晶体转变中，结构中的原子将通过扩散穿过金属，局部地改变组成，即使整个金属由相同的原子组成。 可逆转换不涉及原子的这种扩散，而是所有原子同时移动以形成新结构，这很大程度上通过推动两个相对侧可以从正方形中制成平行四边形。 在不同的温度下，优选不同的结构，并且当结构在转变温度下冷却时，马氏体结构从奥氏体相形成。

磁性形状记忆合金
除了上述热激励磁性合金之外，还存在形状记忆合金（engl。磁性形状记忆合金，MSMA），其表现出磁激励的形状变化。 在这种情况下，通过施加外部磁场，双边界并且形状和长度发生变化。 这种合金的长度的可实现的变化目前在相对小的（与磁致伸缩材料相反）小的可转移力的范围内高达10％。

制造
形状记忆合金通常通过使用真空电弧熔化或感应熔化的铸造来制造。 这些是用于将合金中的杂质保持在最低限度并确保金属充分混合的专业技术。 然后将铸锭热轧成较长的部分，然后拉出以将其变成线材。

合金“经过培训”的方式取决于所需的性能。 “训练”决定了合金在加热时会记住的形状。 这通过加热合金以使位错重新排列到稳定位置而发生，但不会太热以至于材料再结晶。 将它们加热至400℃至500℃之间30分钟，在热的同时成型，然后通过在水中淬火或通过空气冷却而快速冷却。

属性
铜基和NiTi基形状记忆合金被认为是工程材料。 这些组合物可以制成几乎任何形状和尺寸。

形状记忆合金的屈服强度低于传统钢的屈服强度，但是一些组合物具有比塑料或铝更高的屈服强度。 Ni Ti的屈服应力可达500 MPa。 金属本身的高成本和加工要求使得将SMA实施到设计中变得困难且昂贵。 结果，这些材料用于可以利用超弹性或形状记忆效应的应用中。 最常见的应用是驱动。

使用形状记忆合金的一个优点是可以诱发高水平的可恢复塑性应变。 对于某些合金，这些材料在没有永久性损坏的情况下可承受的最大可恢复应变高达8％。 相比之下，传统钢的最大应变为0.5％。

实际局限
SMA与传统执行器相比具有许多优点，但确实存在一系列可能妨碍实际应用的限制。 在许多研究中，强调只有少数获得专利的形状记忆合金应用由于材料限制以及缺乏材料和设计知识以及相关工具（例如使用不当的设计方法和技术）而在商业上取得成功。 设计SMA应用的挑战是克服它们的局限性，其包括相对小的可用应变，低致动频率，低可控性，低精度和低能量效率。

响应时间和响应对称性
SMA致动器通常是电致动的，其中电流导致焦耳加热。 通常通过向周围环境的自由对流热传递来发生失活。 因此，SMA致动通常是不对称的，具有相对快的致动时间和缓慢的去致动时间。 已经提出了许多方法来减少SMA失活时间，包括强制对流，以及用导电材料滞后SMA以便控制传热速率。

增强SMA致动器可行性的新方法包括使用导电“滞后”。 该方法使用导热膏通过传导快速传递来自SMA的热量。 然后，这种热量更容易通过对流传递到环境中，因为外半径（和传热面积）明显大于裸线。 该方法导致停用时间和对称激活曲线的显着减少。 由于传热率增加，实现给定致动力所需的电流增加。

结构疲劳和功能疲劳
SMA受到结构疲劳的影响 – 一种失效模式，循环加载导致裂纹的萌生和扩展，最终导致破裂导致的灾难性功能损失。 这种疲劳模式背后的物理特性是在循环加载过程中微观结构损坏的累积。 在大多数工程材料中观察到这种失效模式，而不仅仅是SMA。

SMA还受到功能性疲劳的影响，这种失效模式不是大多数工程材料的典型特征，因此SMA在结构上不会失效，但随着时间的推移会失去其形状记忆/超弹性特征。 由于循环加载（机械和热），材料失去其经历可逆相变的能力。 例如，致动器中的工作位移随着循环次数的增加而减小。 这背后的物理学是微观结构的逐渐变化 – 更具体地说，是住宿滑移位错的累积。 这通常伴随着转变温度的显着变化。 SMA执行器的设计也可能影响SMA的结构和功能疲劳，例如SMA-Pulley系统中的滑轮配置。

意外启动
SMA致动器通常通过焦耳加热电动致动。 如果SMA用于环境温度不受控制的环境中，则可能发生环境加热的无意启动。

应用

产业

飞机和宇宙飞船
波音，通用电气飞机发动机，古德里奇公司，美国宇航局，德克萨斯A＆M大学和全日空航空公司使用NiTi SMA开发了可变几何雪佛龙。 这种可变面积风扇喷嘴（VAFN）设计将在未来允许更安静和更高效的喷气发动机。 2005年和2006年，波音公司对该技术进行了成功的飞行测试。

正在研究SMA作为运载火箭和商用喷气发动机的减振器。 在超弹性效应期间观察到的大量滞后使得SMA能够耗散能量并抑制振动。 这些材料有望降低发动过程中有效载荷的高振动载荷以及商用喷气发动机的风扇叶片，从而实现更轻便，更高效的设计。 SMA还具有其他高冲击应用的潜力，如滚珠轴承和起落架。

对于商用喷气发动机中的各种致动器应用，使用SMA也有很强的兴趣，这将大大减轻它们的重量并提高效率。 然而，需要在该领域进行进一步的研究，以在这些材料成功实施之前提高转变温度并改善这些材料的机械性能。 Ma等人提出了对高温形状记忆合金（HTSMA）的最新进展的综述。

还在探索各种机翼变形技术。

汽车
第一个大批量产品（> 5Mio执行器/年）是一种汽车阀门，用于控制汽车座椅中的低压气囊，调节腰部支撑/支撑的轮廓。 在此应用中，SMA相对于传统使用的螺线管的总体优势（较低的噪声/ EMC /重量/形状因数/功耗）是决定用SMA取代旧标准技术的关键因素。

2014款雪佛兰Corvette成为第一款采用SMA执行器的车型，它取代了较重的电动执行器，可以打开和关闭舱口，从舱内释放空气，使其更容易关闭。 还有各种其他应用，包括用于从废热和按需空气坝发电的发电机，以优化各种速度下的空气动力学。

机器人
关于在机器人技术中使用这些材料的研究也很有限，例如业余爱好者机器人Stiquito（以及“Roboterfrau Lara”），因为它们可以创造出非常轻巧的机器人。 最近，Loh等人介绍了假手。 这几乎可以复制人手的动作[Loh2005]。 其他仿生应用也正在探索中。 该技术的弱点是能源效率低下，响应时间慢和滞后大。

生物工程机器人手
有一些基于SMA的机器人手原型使用形状记忆效应（SME）来移动手指。

土木结构
SMA在土木结构（如桥梁和建筑物）中找到了各种应用。 其中一种应用是智能钢筋混凝土（IRC），其中包含嵌入混凝土中的SMA钢丝。 这些电线可以感知裂缝并收缩以治愈宏观裂缝。 另一个应用是使用SMA线来有效调节结构固有频率以抑制振动。

管道
第一种消费者商业应用是用于管道的形状记忆联接器，例如用于工业应用的油管管道，水管和用于消费者/商业应用的类似类型的管道。

电信
第二个高容量应用是用于智能手机的自动对焦（AF）执行器。 目前有几家公司致力于由SMA制成的导线驱动的光学图像稳定（OIS）模块

医学
形状记忆合金应用于医学中，例如，作为整形外科手术中的截骨术的固定装置，牙齿矫正器中用于在牙齿上施加恒定的牙齿移动力，并且在胶囊内窥镜检查中，它们可以用作活组织检查动作的触发器。

20世纪80年代后期，商业上引入了Nitinol作为许多微创血管内医学应用的支持技术。 虽然比不锈钢更昂贵，但是根据BTR（体温响应）制造的镍钛合金的自膨胀性能为支架移植物中的球囊可扩张装置提供了有吸引力的替代方案，其中它能够适应某些血管的形状。暴露在体温下。 平均而言，目前全球市场上可用的所有外周血管支架的50％是用镍钛诺制造的。

验光
由含钛SMA制成的眼镜架以Flexon和TITANflex商标销售。 这些框架通常由形状记忆合金制成，其转变温度设定在预期的室温以下。 这允许框架在应力下经历大的变形，并且一旦金属再次卸载就恢复其预期的形状。 非常大的表观弹性应变是由于应力引起的马氏体效应，其中晶体结构可以在负载下变换，允许形状在负载下暂时改变。 这意味着由形状记忆合金制成的眼镜更加坚固，不会被意外损坏。

骨科手术
记忆金属已被用于整形外科手术中作为截骨术的固定 – 压缩装置，通常用于下肢手术。 该装置通常为大钉的形式，以其可延展的形式储存在冰箱中，并通过截骨术植入骨中的预钻孔中。 随着主食变暖，它恢复到其不可延展状态并将骨表面压缩在一起以促进骨愈合。

牙科
多年来，SMA的应用范围不断扩大，牙科发展的主要领域。 一个例子是使用SMA技术在牙齿上施加恒定的牙齿移动力的牙齿支架的普遍性; 镍钛合金弓丝由正畸医生George Andreasen于1972年开发。 这彻底改变了临床口腔正畸学。 Andreasen的合金具有图案形状记忆，由于其几何编程，在给定的温度范围内膨胀和收缩。

Harmeet D. Walia后来利用这种合金制造牙根管治疗牙髓病。

基本震颤
用于减少震颤的传统主动消除技术使用电气系统，液压系统或气动系统来在与干扰相反的方向上致动物体。 然而，由于在人体震颤频率下产生大幅度功率所需的大型基础设施，这些系统受到限制。 SMA已经被证明是手持式应用中有效的驱动方法，并且已经启用了新的有源震颤消除装置。 最近这种装置的一个例子是由Verily Life Sciences子公司Lift Labs开发的Liftware勺子。

引擎
自20世纪70年代以来，开发了由冷热水库中相对较小的温差操作的实验固态热机，包括由Ridgway Banks开发的Banks Engine。

工艺
以小圆形长度出售，用于无外套手镯。

物料
主要用作形状记忆合金的材料，也称为低温材料，是NiTi（镍 – 钛，镍钛合金），具有更好的性能，NiTiCu（镍 – 钛 – 铜）。 两者都最有可能用作致动器材料。 从精确的化学计量（定量比）来看，转变温度是相关的。 镍含量小于50原子％时，约为100℃。如果改变合金的镍含量，则可以在室温下产生奥氏体或马氏体的假弹性或假塑性行为。

其他铜基材料是CuZn（铜 – 锌），CuZnAl（铜 – 锌 – 铝）和CuAlNi（铜 – 铝 – 镍）。 虽然它们更便宜，但它们都具有更高的转变温度和差的形状记忆。 它们特别用于医疗技术。 较不常见的是FeNiAl（铁 – 镍 – 铝），FeMnSi（铁 – 锰 – 硅）和ZnAuCu（锌 – 金 – 铜）。

各种合金表现出形状记忆效应。 可以调节合金成分以控制SMA的转变温度。 一些常见系统包括以下内容（绝不是详尽的列表）：

Ag-Cd 44/49 at。％Cd
Au-Cd 46.5 / 50 at。％Cd
Cu-Al-Ni 14 / 14.5wt％Al和3 / 4.5wt％Ni
铜铝镍 – 铪
Cu-Sn约。 15 at％Sn
Cu-Zn 38.5 / 41.5重量％Zn
Cu-Zn-X（X = Si，Al，Sn）
Fe-Pt约。 25 at。％Pt
Mn-Cu 5/35原子％Cu
的Fe-Mn-Si系
Co-Ni基铝
Co-Ni基嘎
Ni-Fe基嘎
钛铌
Ni-Ti约。 55-60重量％的Ni
镍 – 钛 – 铪
镍 – 钛 – 钯
镍 – 锰 – 镓