形狀記憶效應

具有形狀記憶效應的合金，原理為於低溫下受力變形之後，再 將其升溫至較高溫度，即可回復未變形前的形狀。對於這種現象是 由於麻田散鐵相變態(martensitic transformation)之形成及其後續逆變 態的結果，此種說法目前已被普遍接受。簡單地說，合金在低溫麻 田散鐵狀態受力變形，然後加熱使之達到麻田散鐵相(martensitic)逆 變態至沃斯田鐵相(austenite)的溫度後，所產生的形狀回復現象，即 為形狀記憶效應。

形狀記憶合金的記憶行為也可以從一些簡單的實例視察得到。

例如，將一條記憶合金線加以彎曲，再用打火機點火加熱後，可以 立刻變直而回復原狀，或者，將一已被伸長的彈簧放入熱水中，也 可立即使其回復原狀等等皆是。

如果由材料科學觀點以及應力-溫度圖(圖1-13)加以解釋，本質上 是由材料內部的變化而造成。簡單地說，這是由於合金結構中，發 生固態間相變態所產生的現象，而這種高溫母相-沃斯田鐵相與低溫 麻田散鐵相間之相轉換，正是造成這種特殊形狀記憶行為之原因。

圖1-13 溫度-應力圖(路徑12341)說明形狀記憶效應

當此種合金在熱處理時，從高溫母相可急冷形成麻田散鐵相，

變形時可由雙晶變形(twinning deformation)或晶體方向之改變來進行 可逆性的塑性變形，所以當溫度上升時，給予其驅動力，達到某臨 界溫度後即可從變形的麻田散相逆變態而回復成原來母相，因此，

也就同時產生了形狀記憶效應。(M_s溫度點:麻田散鐵變態開始的溫 度，Mf:麻田散體變態結束的溫度，As:沃斯田鐵開始產生的溫度，Af: 麻田散鐵逆變態結束的溫度)。一般來說，麻田散鐵相介於M_s與M_f間 之變態過程而母相則是介於As與A f之逆變態過程。

進一步由圖1-14晶格變化圖顯示，形狀記憶效應的發生，包括以 下四個階段：

(a) 冷卻降溫(M _f以下)→麻田散鐵變態。

(b) 施加外力→有限度變形。

(c) 除去外力→存留塑性變形。

(d) 加熱升溫→逆變態至母相與形狀回復。

圖1-14 形狀記憶效應:晶格表現示意圖

(a) twinned 麻田散鐵 (b)(c) de-twinned 麻田散鐵 (d) 沃斯田鐵

由母相(沃斯田鐵相)冷卻降溫至Mf之過程，為母相進行熱彈性麻 田散鐵變態，形成自我調適的麻田散鐵，使整體形狀的改變在巨觀 上近乎於零。第二階段對自我調適的麻田散體維持穩定狀態，原先 變形依然存在。最後將其加熱升溫，給予一驅動力，當達到臨界溫 度A_f後即可由變形的麻田散體相逆變態回復至母相。

藉由應力-應變-溫度曲線圖及形狀記憶效應之晶格變化圖(圖 1-15)，可進一步從微觀的角度說明形狀記憶效應的機制，將形狀記 憶由高溫母相狀態，冷卻下來，當溫度降至Ms以下母相開始轉換為 低溫之麻田散鐵相，圖1-15(1-2)示，此時施加外力，將如普通金屬產 生降伏現象，但非一般金屬的滑動變形，而是一種雙晶移動所造成 的塑性變形，圖1-15(2-3)，接著釋放施加外力後塑性變形無法完全回 覆，圖1-15(3-4)，若再加熱升溫，當溫度達到As以上時，將又開始轉 換回母相，圖1-15(4-1)，形狀記憶效應就由此可逆反應造成。

圖1-15 應力-應變-溫度曲線圖及形狀記憶效應之晶格變化圖

由應力應變圖瞭解SMA的形狀記憶效應與普通金屬材料受外力 作用後行為模式之差異，圖1-16(a)為一般普通金屬材料應力應變圖，

其受力後會產生彈性變形與塑性變形兩部份，彈性變形當應力去除 後即可完全恢復，但變形量通常很小，塑性變形即使外力去除也無 法恢復，視為永久變形。形狀記憶合金之變形行為與普通金屬材料 之變形特性截然不同。所謂的形狀記憶效應，變形時亦有彈性及塑 性變形之區分，當外加應力去除後，彈性變形量將完全回復，而塑 性變形部份仍然存在，類似一般金屬材料之塑性變形，但是此種變 形當加熱至某臨界溫度以上(即A_f以上)時，其塑性變形將可完全回 復，此特性與一般金屬材料有很大不同，故形狀記憶合金也因此種 特性而命名。

圖1-16 (a) 普通金屬材料 (b)(c) 形狀記憶合金

(a) (b) (c)