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内容提要： 在记忆合金中存在着共价键，共价键具有方向性，当外力把共价键的方向改变后，去掉外力，共价键有恢复到原来方向的趋向，但因恢复力较小，温度较低时无法恢复，在温度升高后，原子移动的阻力变小，共价键就可以恢复到原来的方向上，在宏观上就表现出合金恢复到了原来的形状。 关键词： 记忆合金、形状记忆、共价键、恢复。 一、什么是记忆合金 一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金。 （ 参考文献1 ） 二、记忆合金的分类 形状记忆合金可以分为三种： （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。 （3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。 三种记忆效应如下图所示。
（ 参考文献2） 三、记忆合金的组成 最早关于形状记忆效应的报道是由 Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到 Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到 1962年，Buehler及其合作者在等原子比的 TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初， CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。形状记忆合金的研究、发现至今为止已有十几种记忆合金体系。包括 Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、 Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、 Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、 Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、 Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、 U-Nb和Fe-Mn-Si等 （参考文献3 ） 四、记忆合金为什么会有记忆功能 形状记忆合金的结构尚未完全探明，为什么金属会记住某些固定形状的问题也还没有完全搞清楚。据科学家推测，金属的结晶状态，在被加热时和冷却时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。 （ 参考文献4） 上面的描述只是一种推测，并且我认为金属原子的排列方式发生突变是不可能的。要知道记忆合金为什么会有记忆功能，我们首先必须知道合金中的化学键，即我们必须知道原子之间是以怎样的方式连接的。 我们以前认为， 金属单质的特点是电负性较小，电离能也较小，原子中最外层价电子易于电离。这些脱离原子的电子不是固定在某一金属的附近，而是在整个金属晶粒中较自由地运行，通常把它形象地叫做“自由电子气”。依靠“自由电子气”把失去价电子的金属正离子“胶合”起来，形成金属晶体。自由电子与金属正离子间的作用力叫金属键 。 （参考文献5）。也就是说金属中的微粒是靠金属键结合在一起的。 当金属受外力时，虽然晶体内部各层粒子间发生相对滑动，由于自由电子的运动起了一定的 “润滑 ”作用，使各层间仍保持着不具方向性的金属键力，因此，金属将发生变形而不致断裂，具有良好的延展性和可塑性，许多金属可以锻打、压片或拉成细丝。而其他类型晶体的情况则不同。当有外力作用时，由于原子晶体各层发生相对滑动，共价键将受到破坏，晶体发生破裂。若外力发生在离子晶体时，由于带相同电荷的离子靠近而相互排斥，也会使晶体破坏。因此，这两类晶体物质基本没有延展性。 （参考文献 6） 我们知道最活泼的金属是碱金属， 碱金属都是银白色的，比较软的金属，密度比较小，熔点和沸点都比较低。 （参考文献7 ）碱金属的这些性质应该是金属键引起物质物理性质的典型代表。 我们还知道，世界上最硬的物质是金刚石，金刚石是碳原子通过共价键结合而成的，这就说明，通过共价键结合成的物质具有很高的硬度。 从上面典型的金属键和共价键引起物质的性质看出，最软的固体单质是碱金属，是由金属键形成的，最硬的固体单质是金刚石，是由共价键形成的，由此可以推断，具有较高硬度的金属中一定既具有金属键，又具有共价键。 金属中金属键的形成我就不必说了，金属中的共价键是怎么形成的，我们用最硬的金属——铬为例来说明这个问题。 铬为什么会是最硬的金属，我们首先看一下它的核外电子排布。 24号元素铬的 24个核外电子依次排列为 1s2、 2s2、2p6、3s2、 3p6、4s1、3d5 按照人们的习惯 “每一个电子层不分隔开来 ”，改写成 1s2、 2s2、2p6、3s2、 3p6、3d5、4s1 （ 参考文献8） 从铬原子核外电子的排布看出，共有六个未成对电子，在不考虑其它因素的情况下，每个原子应该可以和周围的六个其它原子形成共价键，当然因周围空间的限制和铬的电负性较小，部分电子成了自由电子，但是肯定大部分未成对电子与周围的其它原子形成了共价键，否则金属铬就不会有如此大的硬度。也就是说，共价键并不是非金属元素的专利，金属元素的原子之间也会形成共价键。 要形成稳定的共价键，必须尽可能使电子云重叠程度大一些，我们知道，除了 s电子以外， （注：根据我对原子理论的认识，s电子轨道也具有方向性） 。其它电子云都是有空间取向的，在成键时，要尽可能沿着电子云密度最大的方向发生重叠。例如H2O中，氢原子的 1s电子云沿着氧原子的2Px、2Py电子云的空间伸展方向的重叠，才能达到电子云重叠程度最大，形成稳定的共价键，因此共价键具有方向性 （ 参考文献9）。由于共价键具有方向性，当外力把共价键的方向改变后，只要不把共价键断开，外力去掉后，共价键为了达到“重叠程度最大”，就有向原来位置恢复的趋向，正是由于这个特征，所以我们才能制成弹簧。 记忆合金与上述情况有类似性，但又有所不同，记忆合金是合金中的共价键在温度较低的情况下，外力把共价键的方向改变了，共价键也是没有断裂，可是由于共价键不是很强，无法恢复在原来的位置上，当温度升高后，原子的振动变快，原子移动的阻力变小，原子容易发生位移，这时共价键又恢复到了原来“重叠程度最大”的方向上，在宏观上表现出来的就是合金恢复了原来的形状。这就是记忆合金具有记忆功能的原因。 从上面的分析看出，记忆合金中的原子之间，既要存在共价键，但共价键又不宜太强，从记忆合金的组成中可以看出这一特点。 参考文献： 1 、百度百科 http://www.yuyicn.com/edu/2006/200605/20060501073432_21914.shtml 2 、 http://www.yuyicn.com/edu/2006/200605/20060501073432_21914.shtml 3 、百度百科http://baike.baidu.com/view/283570.htm 4 、 http://www.ehappystudy.com/html/5/41/111/2006/5/zl97621194932560024103-0.htm 5 、 http://222.200.98.43/ziyuan/xinshiji/9/main/chap5/5_5/5_5_9.htm 6 、 http://222.200.98.43/ziyuan/xinshiji/9/main/chap5/5_5/5_5_9/5_5_9_1.htm 7 、百度百科 http://baike.baidu.com/view/98150.htm 8 、百度百科 9 、百度百科 http://baike.baidu.com/view/29292.htm
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杨发武 （yangfawu185@126.com） 上传2008.01
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