2012年第8期化学教育
l瓣褊l翩缌用物质结构知识揭秘弯勺子魔术+——形状记忆合金的特性
王嘉文许烨馨王明召“
(北京师范大学化学学院100875)
摘要以一个魔术现象为引子，结合新课标高中化学《物质结构与性质》教材中晶体结构知
识，介绍形状记忆合金的特性，供一线教师用作高中化学金属晶体内容的补充教学材料。
关键词高中化学金属晶体弯勺子魔术形状记忆合金特性
许多人都看过这样的魔术表演：魔术师向观众
展示一个“普通”的金属勺子，仅仅通过轻轻的揉
搓，勺子就由直变弯。如果我们要对这一现象进行
合理的解释，毫无疑问，轻轻揉搓这一细节将是问
题的突破口。轻轻揉搓的力量不足以使勺子发生形
变，但会使人的体温传到勺子上，加上揉搓也会产
生少许热量，因此勺子温度会升高。而温度升高为
什么会对勺子的形状产生影响呢?原来，制作勺子
的材料是一种特殊的功能材料——形状记忆合金。
根据组成，形状记忆合金可以分为Ni—Ti基记
忆合金、Cu基记忆合金和Fe基记忆合金，3种合
金的性能差异较大，在此我们以较简单的Ni一“形
状记忆合金为例来了解其特点。
1形状记忆效应
我们在魔术中所看到的现象体现了形状记忆合
金的独特性质：形状记忆效应。形状记忆效应指具
有一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定的
塑性变形(例如在温度较低时用外力使之变形)
后，加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前
形状的现象。将受热后的材料再次冷却，其形状可
能有3种变化形式，据此可将形状记忆效应分为3
种(见图1)：如果形状不再改变，称为单程记忆
效应；如果能变回温度较低时的形状，称为双程记
忆效应；如果变为与高温形状呈镜面对称的形状，
则称为全程记忆效应[1]。
2形状记忆效应的微观原理
形状记忆合金的晶体结构存在不同的晶相，正
是相变使它产生形状记忆效应。我们在此可以简单
地将相变理解为不同晶体结构间的相互转化。
在相变温度以上，形状记忆合金内部是奥氏体结
图13种形状记忆效应示意图
构，这种微观结构是我们熟知的面心立方结构。在相
变温度之下，形状记忆合金内部以马氏体结构为主，
而马氏体结构是我们熟知的体心结构。由奥氏体变为
马氏体的过程称为马氏体相变，目前为止还没有一个
模型可以完美解释其微观过程，有一种直观的贝茵模
型是这样解释的：面心立方结构中可以抽象出一个体
积为原晶胞一半的体b四方结构，这一结构只需要发
生—个很小的形变就可以变为体心立方结构[2]，即晶
体结构从奥氏体变为了马氏体。该模型可用图2来表
示：在2个并置的面心立方结构(a)中抽象出一个
用黑点表示的体心四方结构(b)，这一结构仅仅需要
参数发生微小变化，即转变成体心立方结构(c)。研
究表明，形状记忆合金发生相变时的能量变化很小，
这就是魔术表演中只需体温就能让勺子产生形状记忆
效应的原因。平时我们常见到的固、液、气相间的转
变会有很大的体积变化，因此吸收或放出的能量也较
多。显然，形状记忆合金的晶相变化与我们常见的物
相变化是不同的。
3勺子由直变弯的内部结构变化
与弯勺子魔术对应的相变过程是马氏体变为奥
氏体(称为马氏体逆相变)，我们可用更加直观的
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国家级精品课程建设项目；北京市精品课程建设项目；国家级化学实验教学团队建设项目；教育部实验室共建项目；北京市教育委
员会共建项目；北京师范大学教学建设与改革项目
通讯联系人，E-mail：wang-mzo@bnu．edu．饥
万方数据
2012年第8期化学教育
3·3交叉互补，整合升华。。++。
3套教学用书各具特色，在教学的过程中，教
多丐义陬
师不能把眼光局限在与自己配套的教师教学用书[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)．ht一
上，最好购置全3套教师教学用书，广泛吸收其课tp：／／””w．gov·m／jr29／2。10～07／29／content一1667143‘
程教学资源、比对分析其在每个部分教学重点、难[2]蒜芸?1荔喜磊理，2008，(5)：19
点确定上的异同，以及解决疑难问题的方法。人教[3]令狐昌和．贵州教育，2009，(16)：36
版的条理更容易让教师理清教学的思路，苏教版的[4]中华人民共和国教育部制订．普通高中化学课程标准(实
“疑难解析”更是值得广大教师参考，其配套的光验)．北京：人民教育出版社，2003：42
盘包含了丰富的电子资源和录像材料，很好地弥补[5]普通高中课程标准实验教科书：化学1(必修)教师教学用
j全警竖翌苎跫璺竺至璺，．皂孽璺曹要塞更窆昌誓。。，辜藉冀了妻全，莩耋喜军篡磊纂薹姜塞曼科书：化学，。必教师尤其是新手教师获取更多的教学资源和教学指
修)高中化学教学参考书．南京：江苏教育出版社，2011：
导。广大教师在使用过程中要在多个版本教师教学前言
用书资源中吸取养分，整合升华，提高教学资源使[7]王磊主编．普通高中课程标准实验教科书：化学1(必修’
用成效。教师用书·济南：山东科学技术出版社，2011：1
图2奥氏体变为马氏体的3维结构变化示慝图
2维结构图(图3)来说明。正方格子代表奥氏体，
在外力作用下，格子变形为普通平行四边形，代表
马氏体，即勺子表演之前的结构。手轻轻揉搓加热
使勺子温度高于相变温度后，发生马氏体逆相变，
我们就观察到宏观上的“变形”现象。
奥氏体马氏体
图3马氏体变为奥氏体的2维结构变化示意图[3]
需要指出的是，贝茵模型是最早用来描述马氏
体相变过程的模型，因其简单直观而得到广泛认
可。但是，贝茵模型仅仅给出了马氏体相变过程中
马氏体相与母相间的点阵对应关系，这种对应不是
真正的点阵变形[4]。为了更好地解释形状记忆合金
的特性，人们提出了其他模型，还有待同学去继续
了解。
参考文献
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技大学硕士学位论文，2006
[2]杨杰，吴月华．形状记忆合金及其应用．合肥：中国科学技
术大学出版社，1993：19—22
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◆分子逻辑的研究
◆胶体粒子间的相互作用
◆科学探究能力的构成要素
◆体现科学概念本质的教学设计
下期要目，
◆沉淀溶解平衡教学中驱动性问题链的设计
◆2012年高考理综化学试题评价和得分情况
◆对蜡烛燃烧现象的追问与解释
◆“相对原子质量”课堂教学研究
万方数据
用物质结构知识揭秘弯勺子魔术——形状记忆合金的特性
作者：王嘉文，许烨馨，王明召
作者单位：北京师范大学化学学院100875
刊名：化学教育
英文刊名：ChineseJournalofChemicalEducation
年，卷(期)：2012,33(8)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hxjy201208001.aspx
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