镍钛形状记忆合金热机的工作原理分析（一）

图1 热机结构

引子

近日一直在思考镍钛记忆合金热机的工作原理，为此还专门购买了一件昂贵的设备。经过多次实验和分析，终于从力学上给出了易于理解的解释。

1 资料检索

资料显示：镍钛合金是由镍和钛组成二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相和马氏体相。镍钛合金冷却时的相变顺序为母相(奥氏体相)-R相-马氏体相。R相是菱方形，奥氏体是温度较高(大于奥氏体开始的温度)的时候，或者去处载荷(外力去除)时的状态，立方体，坚硬。形状比较稳定。而马氏体相是温度相对较低(小于马氏体结束的温度)或者加载(受到外力活化)时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。

通俗地说，就是镍钛记忆合金丝在转变温度以上表现出刚性，在转变温度以上表现出柔性。

2 实验探究

实验发现：将装置上的形状记忆合金丝的一部分团成一团，放置在热水中，这部分会瞬间展成一条直线，而且这条直线还具有较大的弹性。

当把装置的小轮置于热水中，给装置一个初始速度，装置就会高端旋转。如果装置倾斜置于热水中，无需给与初速度，装置就会高速旋转。

热机视频

3 理论分析

基于上述文献检索和实验探究，可以将低温下的镍钛记忆合金丝抽象成柔性的线，而将高温下的镍钛记忆合金丝抽象成弹性丝。

如图2所示，当装置没有放入热水中时，镍钛记忆合金丝易于变形，表现出细线的性质，紧贴在皮带轮的边缘上。

图2 低温情形

如图3所示，将装置的小轮子的边缘放置在热水中，金属丝浸入热水中的部分为AB。给予装置一个顺时针旋转的初速度，考虑到金属丝吸热和散热具有时间上的滞后性，不妨认为A'B'部分为高温部分，这部分记忆合金丝进入奥氏体相，表现出刚性，由曲线A'B'展成直线段A''B''。记忆合金丝不再紧贴皮带轮表面，而是中间接触，两侧翘起。

图3 高温情形

这样以来，虽然浸入热水中的部分相对于装置对称轴是对称的，但是处于奥氏体相的部分并不相对于装置对称轴是对称。

显然，虽然皮带轮两侧的金属丝拉力大小相等，但是左侧力臂大于右侧的力臂，两侧金属丝拉力对皮带轮轴心的力矩并不能相消，合力矩成顺时针方向，从而产生使装置顺时针旋转的动力。

4 拓展

4.1 将小轮竖直放入热水中，没有初速度，处于奥氏体相的部分相对于装置对称轴对称，装置受力平衡，不会旋转。

4.2 将小轮竖直放入热水中，施加初速度，处于奥氏体相的部分相对于装置对称轴不对称，装置受力不平衡，装置沿着初速度方向旋转。

4.3 将小轮倾斜放入热水中，处于奥氏体相的部分相对于装置对称轴不对称，装置无需初速度，即可加速旋转。

4.4 将大轮竖直放入热水中，处于奥氏体相的部分翘起之后，由于大轮的半径较大，难以使金属丝处于马氏相的柔软金属丝离开皮带轮，难以创造两侧拉力力臂不等的条件，即使给予装置初速度，装置也难以失去平衡而发生旋转。

上述理论分析和拓展与实验结论完全吻合。