形狀記憶效應的案例
【論文介紹】Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
目前課題組正承擔國家自然科學基金項目“快速凝固超細晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學基金“微尺度熔體抽拉鐵磁形狀記憶纖維的雙功能特性研究”；黑龍江省省屬本科高校基本科研業務費面上項目“微尺度形狀記憶金屬絲的可控制備及形狀記憶效應研究”等。
原文出處：
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學習, 沈紅先, 孫劍飛, 溫亞芹, 王歡, 任曉輝, 陰爽
材料工程，2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518
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目前課題組正承擔國家自然科學基金項目“快速凝固超細晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學基金“微尺度熔體抽拉鐵磁形狀記憶纖維的雙功能特性研究”；黑龍江省省屬本科高校基本科研業務費面上項目“微尺度形狀記憶金屬絲的可控制備及形狀記憶效應研究”等。
原文出處：
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學習, 沈紅先, 孫劍飛, 溫亞芹, 王歡, 任曉輝, 陰爽
材料工程，2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518
展開 案例40-具有熱效應的形狀記憶合金（SMA）
該示例問題提出了兩種形狀記憶合金（SMA）模擬：脊柱間隔植入物和彈簧致動器。
突出顯示了以下特性和功能：
• 使用馬氏體和奧氏體（鎳鈦化合物）的SMA材料模型
• 熱載荷下的SMA行為
介紹
形狀記憶合金（SMA）是一種材料，在經受機械加載/卸載循環之后，能夠經受大變形而不顯示殘余應變（偽彈性），或者能夠通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。
偽彈性和形狀記憶效應是材料特性，特別適用于航空、生物醫學和結構工程應用。盡管SMA材料分析和設計已經取得了很大進展，但由于高度非線性的滯后轉變、材料退化和熱機械疲勞，精確控制SMA仍然存在許多挑戰。有限元分析已廣泛用于模擬SMA材料，并為設計使用SMA材料的產品提供了有價值的工具。
SMA相變理論
二階張量被定義為測量與相變相關的應變的轉換應變：
其中是完全變換后的相變中的范數的最大值。
因此，應力以應變表示：
在相變過程中，相變應力定義為：
其中是室溫T和材料相關溫度T0的正單調遞增函數，低于該溫度時，不會出現孿晶馬氏體。β是一個重要參數。材料參數h與相變中材料的硬化有關。
的演化方程如下：
其中，極限函數F根據轉換應力和彈性域半徑R以Prager型極限函數的形式給出：
其中：
因此，相變的控制方程表示為：
除了馬氏體和奧氏體的楊氏模量和泊松比外，還定義了其他六個參數：M、R、h、T0、β和。
SMA熱效應模擬
脊椎間隔器通過SOLID187單元模擬，彈簧致動器通過BEAM188和SOLID185單元模擬。
展開 Ansys | 基于熱效應的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析
形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統。定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對稱性，僅創建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設置和邊界條件。共創建六個分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開始時，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開 
Ansys | 基于熱效應的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析
形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統。定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對稱性，僅創建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設置和邊界條件。共創建六個分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開始時，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開 Abaqus調用內置子程序模擬形狀記憶合金 ￥19.89
形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是具有形狀記憶效應的一種新型材料。形狀記憶合金在外力下產生塑性變形，去掉外力后變形不能完全恢復，但將合金加熱到一定的溫度后，其變形消失，恢復到原始形狀。
形狀記憶合金最典型的特征包括形狀記憶效應和超彈性。形狀記憶效應是指通過加熱使材料溫度達到Af以上時，馬氏體相變為奧氏體，材料最終恢復原始形狀，如圖1所示
圖 1 形狀記憶效應示意圖
超彈性則是指，當材料所處的環境溫度高于奧氏體相變結束的臨界溫度 Af，材料處于奧氏體相的熱力學穩定狀態，馬氏體處于不穩定狀態。在此溫度下，應力誘發的馬氏體相變與溫度誘發的馬氏體相變有所不同，應力誘發相變所產生的馬氏體并不是自相適應的，材料會產生很大的變形(大于 5%)；卸載以后材料產生的變形將會完全消失。超彈性示意圖如圖2所示
圖2 超彈性示意圖
為了在Abaqus中模擬形狀記憶合金的形狀記憶效應以及超彈性行為，我們可以通過編寫Umat/Vumat子程序來實現。但是由于編寫子程序需要很高的門檻，同時也需要花費大量時間精力，因此本文向大家介紹了一種直接調用Abaqus內部SMA材料本構的方法。
SMA內置本構的調用方法與自編子程序相比更加便捷，無需安裝Fortran開發環境。同時Abaqus內置的SMA子程序適用于隱式分析和顯示分析。
通過Abaqus模擬得到的SMA單向拉伸載荷位移曲線如下所示
展開 一種可用于形狀記憶合金（SMA）的UMAT子程序 ￥29.99
這個 UMAT 展示了如何在標準塑性框架內嵌入相變效應，為模擬如形狀記憶合金 (SMA)、相變誘發塑性 (TRIP) 鋼等智能材料或先進金屬提供了基礎。理解和應用此代碼需要對彈塑性力學理論、ABAQUS UMAT 接口和特定材料的相變機制有深入的了解。
4、 代碼解釋以及案例文件（inp，umat子程序)
形狀記憶合金的本構模型及有限元仿真 ￥30
本貼先介紹了SMA的形狀記憶效益和超彈性的相變與力學過程，然后采用分別采用ANSYS自帶本構、ABAQUS自帶本構、Jaber三維SMA本構模型的UMAT、Lagoudas統一本構模型的UMAT進行對比分析，最后針對不同仿真需求給出相應的SMA本構推薦。
SMA是一類智能合金，具有多種特殊的性能。SMA有兩種主要的相：一種是低溫和高應力下穩定的馬氏體相，另一種是在高溫、低應力下穩定的奧氏體相。奧氏體相是SMA的母相，一般具有立方晶體結構。馬氏體具有較低的有序晶體結構按照晶向的不同存在兩種形式：孿晶馬氏體和非孿晶馬氏體。圖1-1為Ni-Ti SMA不同相的晶體結構示意圖，圖中的紅點表示Ni原子，白點表示Ti原子。SMA的主要特征是馬氏體與奧氏體之間的可逆相變，稱為馬氏體相變，這是由于剪切位移而改變晶體結構的切變型相變。這種相變可以由溫度誘導，稱為形狀記憶效應。如果相變由應力誘導，則稱為超彈性。
圖1-1 SMA的不同相
在無外應力的情況下，SMA中的馬氏體體積分數隨著溫度而變化。如圖1-2所示，相變的特征溫度有四種：(1)As ，即材料從孿晶馬氏體相向奧氏體相轉變的開始溫度；（2）Af ，即材料從孿晶馬氏體相向奧氏體相轉變的完成溫度；（3） Ms，即材料從奧氏體相向馬氏體相轉變的開始溫度；（4）Mf ，即材料從奧氏體相向馬氏體相轉變的完成溫度。這些轉變溫度會隨著外應力的增加而升高。
形狀記憶效應：指SMA經過熱循環變形后，恢復其原始形狀的能力。
展開 【當期目錄】《材料工程》2021年3期目錄（形狀記憶合金專欄）
關鍵詞 ：NiTi基合金, 彈熱效應, 固體制冷, R相變, 超彈性, 循環穩定性
TiNi基形狀記憶合金的輻照效應
寧睿, 高智勇, 王海振, 蔡偉
2021, 49 (3): 14-19.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000570
摘要：
材料輻照效應是入射粒子與物質交互作用造成的物質微觀組織結構與宏觀性能的變化。輻照效應不僅是改善材料表面性能的重要手段，而且也是特殊環境應用材料可靠性評價的重要組成部分。TiNi基形狀記憶合金是一種重要的金屬智能材料，具有獨特的形狀記憶效應和超彈性，已在衛星、空間站等航天器以及生物醫學中廣泛應用。本文闡述了Ti-Ni基形狀記憶合金在空間粒子（質子、電子）以及離子輻照改性的研究進展，輻照效應會對TiNi合金的微觀組織結構產生影響，進而改變合金的相變行為和力學行為。然而目前關于TiNi基合金的輻照效應的研究仍處于起步階段，組織結構和相變行為的變化規律和機理還未研究清楚，有關形狀記憶效應的研究較少，仍需深入研究輻照參數、組織結構、相變行為和功能特性之間的內在聯系。
關鍵詞 ： 形狀記憶合金, 輻照效應, 微觀組織, 馬氏體相變
Ni-Mn基磁性形狀記憶合金第二相的形成及其對相變和性能的影響
陳楓, 劉佩文, 許賢福, 田兵, 佟運祥, 李莉
2021, 49 (3): 20-30.
展開 【當期目錄】《材料工程》2021年3期目錄（形狀記憶合金專欄））
關鍵詞 ：NiTi基合金, 彈熱效應, 固體制冷, R相變, 超彈性, 循環穩定性
TiNi基形狀記憶合金的輻照效應
寧睿, 高智勇, 王海振, 蔡偉
2021, 49 (3): 14-19.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000570
摘要：
材料輻照效應是入射粒子與物質交互作用造成的物質微觀組織結構與宏觀性能的變化。輻照效應不僅是改善材料表面性能的重要手段，而且也是特殊環境應用材料可靠性評價的重要組成部分。TiNi基形狀記憶合金是一種重要的金屬智能材料，具有獨特的形狀記憶效應和超彈性，已在衛星、空間站等航天器以及生物醫學中廣泛應用。本文闡述了Ti-Ni基形狀記憶合金在空間粒子（質子、電子）以及離子輻照改性的研究進展，輻照效應會對TiNi合金的微觀組織結構產生影響，進而改變合金的相變行為和力學行為。然而目前關于TiNi基合金的輻照效應的研究仍處于起步階段，組織結構和相變行為的變化規律和機理還未研究清楚，有關形狀記憶效應的研究較少，仍需深入研究輻照參數、組織結構、相變行為和功能特性之間的內在聯系。
關鍵詞 ： 形狀記憶合金, 輻照效應, 微觀組織, 馬氏體相變
Ni-Mn基磁性形狀記憶合金第二相的形成及其對相變和性能的影響
陳楓, 劉佩文, 許賢福, 田兵, 佟運祥, 李莉
2021, 49 (3): 20-30.
展開 comsol形狀記憶合金彈簧仿真
并且我發現他的形狀記憶合金只涉及奧氏體和馬氏體，并沒有對馬氏體進行孿晶馬氏體和去孿晶馬氏體的區分，這樣的話在仿真形狀記憶效應的時候初始狀態和結束狀態馬氏體體積分數為0，但是其實并不是這樣，請問會不會有問題。
sma_spring_bili_q.mph
江南大學李文兵與哈工大冷勁松院士/劉彥菊教授團隊《Small》綜述：形狀記憶微/納米圖案的發展和應用
圖2 形狀記憶微/納米溝槽圖案
微柱陣列是微/納米圖案中應用較廣泛的一類，通常由一類相同的圖案組成，例如高長徑比的微柱、微正方體、微錐等，圖案的差異會導致表面性質的不同，由于形狀記憶效應，微柱陣列在表面潤濕性的控制、細胞培養的動態控制、可變換顏色的光學產品等方面表現出色。
圖3 形狀記憶微/納米柱陣列圖案
形狀記憶微孔相較于其他形狀的微/納米圖案研究較少，主要用于細胞培養、可調潤濕性和抗菌表面的研究。
圖4 形狀記憶微/納米孔圖案
褶皺是一種自然界常見的現象，較柔軟的內部組織支撐的相對較硬的皮膚在壓縮應力下會形成褶皺，而在表面上起皺是由于施加橫向壓縮應變或應力形成的，SMP作為表面褶皺的基底擁有其獨特優勢。
圖5 形狀記憶微/納米褶皺、裂紋圖案
形狀記憶微/納米圖案通過形狀記憶聚合物和微/納米圖案技術結合，在表面形成了不同的表面微/納米結構，制備方法也是不同的，主要有熱壓印光刻法、復制模刻法、自組裝以及其他方法（微注射成型、激光燒蝕、反應離子蝕刻等方法）。圖6、7分別介紹了不同的制備方法。
展開 東北大學《Scripta》：磁性形狀記憶合金的馬氏體穩定性及物理性能
Jahn-Teller效應和Ni-Mn鍵合能力都有助于形成最穩定的7M馬氏體。
總的來說，本文設計了一系列不同馬氏體相的Ni50Mn35In15合金，通過第一性原理計算和實驗表明該合金經歷了磁結構耦合轉變(即鐵磁奧氏體-亞鐵磁5M馬氏體-鐵磁7M馬氏體)，確定了7M馬氏體由于Ni和Mn原子間的強鍵合能力而成為最穩定的相。本文研究成果對未來磁性記憶材料的開發和磁性材料的實際應用有一定指導意義。（文：破風）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
華南理工《Acta Materialia》：增材制造形狀記憶合金的納米沉淀相調控！
（SMAs）具有優異的超彈性、形狀記憶效應和良好的生物相容性等獨特性能，廣泛應用于航空航天、醫療和手術器械。
華南理工大學王濤/孫尉翔/童真團隊在pH響應聚電解質水凝膠領域取得新進展
聚兩性電解質水凝膠因具有寬泛可調的強度、自修復、形狀記憶以及自調節粘附等優異性能，受到了眾多學者的關注，目前已廣泛應用于藥物控釋和組織再生支架等領域。但是該凝膠仍有幾個缺點制約了其應用，如形狀記憶的刺激源較為單一、原始形狀無法自發轉變為臨時形狀、自修復時間較長等，所以，如何通過調整水凝膠的網絡結構和改變水凝膠的組分解決以上問題仍需進一步研究。
針對聚兩性電解質水凝膠的刺激源過于單一的問題，華南理工大學王濤副研究員/孫尉翔副研究員/童真教授團隊在傳統聚兩性電解質水凝膠中引入弱的陰離子單體甲基丙烯酸（MAA），實現了pH誘導的形狀記憶效應，同時，由于快速溶脹、交聯點重建、殘余變形等水凝膠在非平衡狀態的協同效應，該凝膠還具有自發驅動的行為（圖1），提供了一種能夠連續驅動的水凝膠驅動器的設計思路（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707245）。
圖1. 基于MAA的聚兩性電解質水凝膠的自發驅動行為
在保留可自發變形功能的前提下，為改善聚電解質水凝膠的力學強度，該團隊進一步利用弱陽離子單體甲基丙烯酸二乙氨基乙酯（DEAEMA）在酸性聚苯乙烯磺酸水溶液中制備了聚離子復合物（PIC）水凝膠（圖2），在大幅提高水凝膠力學強度的同時，實現了pH誘導的形狀記憶效應和自發驅動行為；同時，通過控制含水量，該凝膠還能夠實現信息加密的功能（Macromol. Rapid Commun. 2021, 42, 2000747）。
圖2.
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