形状记忆合金SMA（Shape Memory Alloy）是一种由两种以上金属元素构成的具有形状记忆效应的合金材料。形状记忆效应指的是材料在受到外力作用下发生变形，通过加热或其他方式恢复到其预先设定形状的能力，产生的原因是由于热弹性马氏相变及其可逆性，马氏体相变是一种非扩散型固态相变，其主要特点是无扩散过程，原子协同小范围位移，通过类似于孪生的切变方式形成亚稳态的新相，并且新旧两相化学成分相同。形状记忆合金按材料成分分可分为NiTi基、Cu基和Fe基合金，NiTi基合金因为其形状记忆效应和超弹性最好成为商业上应用最成功的形状记忆合金，并且具有良好的耐腐蚀性与生物相容性，广泛地应用于机械电子、航空航天、医疗器械、土木工程等领域。

Ni-Ti基形状记忆合金的高温母相是奥氏体，具有B2（有序体心立方）结构，低温相是马氏体相，具有B19’（单斜结构），高温相和低温相的转变是可逆的，可通过温度诱发马氏体进行可逆相变，温度降低马氏体长大，温度回升马氏体减小直至消失。NiTi 形状记忆合金中的马氏体相变是在一定温度范围内发生的，从奥氏体转变为马氏体（马氏体正相变）开始的温度称为马氏体开始温度（Ms）。其体积分数随着温度下降不断增加，一旦温度保持恒定，马氏体相变不再继续进行，马氏体相变完成，此时温度称为马氏体结束温度（Mf），低于Mf温度，奥氏体完全转变为马氏体。反之，在加热到奥氏体开始温度（As）之上时，发生马氏体逆相变，马氏体开始转变为奥氏体，马氏体到奥氏体转变完成的温度是奥氏体结束温度（Af）。

Ni-Ti基形状记忆合金一般通过在高温（奥氏体相）状态下预设形状，将合金加工成所需的形状并固定；然后通过冷却到马氏体相的温度范围（低于马氏体开始温度Ms）使得合金变得柔软且易于变形，通过外力将其变形为临时形状；当温度升高到奥氏体完成温度Af以上时，合金中的马氏体相会转变为奥氏体相，材料会自动恢复到其预设的形状。所以马氏体和奥氏体相变温度（Ms、Mf、As和Af）的测量尤为重要，依据中华人民共和国医药行业标准 YY/T 0641-2008所述，由于NiTi合金的化学分析方法精度不够，不能通过测量合金NiTi含量比来确定相变温度，推荐采用差示扫描量热分析仪DSC直接测量已知热加工史的退火样品的相变温度。DSC是一种测量试样与参考物之间热流差异的分析仪器，测量方法是将由相变行为的样品（Ni-Ti合金材料）和无相变且没有热效应产生的参比样品（空坩埚）在指定气氛下，以控制的速率，在相变温度区间加热和冷却，当样品发生相变时，在样品和参比物间产生能量差，反应为热流和温度的关系曲线，测量出Ni-Ti合金材料相变过程中吸放热情况，从而得到正逆相变温度。

实验部分

本文采用北京精微高博仪器有限公司下属公司ISI的差示扫描量热仪DSC 600 进行测试。样品为我公司合作商Ni-Ti基形状记忆合金材料进行DSC实验，样品形状如下图所示：

图1 Ni-Ti 基形状记忆合金材料

制样：采用固体坩埚，剪取上述样品前端与坩埚直径长度一致的样品放置坩埚内，为保证样品与坩埚接触良好，取好样品后盖上盖子并用压片机将样品压平。

气氛：氮气，流量为50ml/min

样品质量：6.58mg

测试范围：-20℃至50℃

升温速率：10K/min

测试程序：以10K/min的速率从室温25℃升高到50℃，然后以相同的速率降温到-20℃，并再次从-20℃升温至50℃，取-20至50℃的循环进行分析。

测试结果

图2 Ni-Ti 基形状记忆合金DSC曲线

由上图可见：在降温曲线（黑色）上观察到放热峰，此时Ni-Ti合金中奥氏体相向马氏体相发生转变，相变温度采用切线法标定，可由下图3所示软件自带的DSC Peak Area 和DSC Onset功能进行选取，得出马氏体正相变的开始温度Ms值为14℃和结束温度值Mf为8.18℃，峰值温度Mp值为11.18℃；加热曲线（红色）上观察到吸热峰，此时Ni-Ti合金中马氏体相向奥氏体相发生转变，奥氏体相变的开始温度As值为10.18℃，结束温度Af值为18.51℃，峰值温度Ap值为13.64℃。

图3  DSC 600软件分析功能

参考文献

[1] 王硕，王元昊. 形状记忆合金及其研究进展综述[J]. 科学技术创新. 2020(21): 39-40

[2] 梅海.NiTiTa 形状记忆合金的马氏体相变与形状记忆效应[D]. 哈尔滨工程大学，2023