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1．1 镍钛合金
某些具有热弹性马氏体相变的合金材料，处于马氏体状态时，进行一定限度的变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复到变形前的形状和体积，这种现象称为“形状记忆效应”（shape memory effect），简称SME。具有这种效应的合金则称为形状记忆合金(shape memory alloy)，简称SMA[5]。普通的金属材料，去掉外力后变形量仅恢复到原来形状的5%以下的应变量，超过弹性极限时，会因为位错等缺陷，产生不可逆的变形，形状就永远不能恢复。但SMA的应变量可达到原来形状的百分之几甚至百分之十几，应力去除后，仍能恢复到原来的形状，这种现象称为超弹性，它是SMA的另一重要特性。镍钛合金是典型的形状记忆合金，作为生物材料的应用，正是利用了这两个优良特性[6,7]。
镍钛合金不但具有丰富的相变现象、优异的形状记忆效应和超弹性性能、力学性能和高阻尼特性，而且还有良好的生物相容性，出色的耐蚀耐磨性，高抗疲劳性，低的生物退变性，且弹性模量与人体骨头相近，因此被认为是“生物医用材料学方面的重大发现”，是一种难得的具有生物功能的金属材料[8]。近年来，镍钛合金在生物医学领域的应用在国内外受到了普遍重视。但由于镍钛合金成分与人体组织截然不同，作为硬组织植入物时，它们与骨之间只是一种机械嵌连的骨整合，而非化学骨性结合，导致植入材料与骨组织之间结合较差，常引起植入失效[9]。
1.1.1 镍钛合金的组成
NiTi合金是近等原子比（50.8%的镍原子与49.2%的钛原子)的金属间化合物。NiTi合金密度6.45g/cm3，熔点为1270～1350℃。晶体结构存在两种相：马氏体和奥氏体，并且在一定的条件下可以相互转换，过程中表现出形状记忆效应和超弹性[7,10]。NiTi记忆合金处于0℃附近为马氏体状态，比较柔软，可随意变形成易于导入体内的形状。加热到体温以上，合金发生逆变化，立刻恢复到原始预定的形状，并产生较大的回复力，起到矫形及支撑的作用。NiTi合金在体内长期保持超弹性状态，应力不随变形量的增加而增加，可恢复变形量大 ，变形抗力适中。NiTi合金的二元相图如图 1.1所示，它是K.Otsuka[11]等在Massalski[12]等人1990年报道的相图上略加修正而成。由图可见，近等原子比NiTi合金高温为β母相，结构为体心立方(Bcc)，冷却至1090℃发生Bcc-B2有序化转变，B2变为CsCl超点阵，当温度低于650℃左右时，B2单相区很窄，一般认为只存在于50.0-50.5at.%Ni，在富Ti一侧，溶解度极限几乎不随温度变化而变化，在富Ni一侧，溶解度极限随温度的降低而下降。
图1.1 镍钛合金二元相图
1.1.2 镍钛合金的性能
NiTi形状记忆合金的机械性能及物理性能见表1.1[13]
表1.1 镍钛合金的机械性能及物理性能
抗拉强度σb 980 MPa 熔点 1270～1350 ℃
延伸率δ 20～60 % 密度 6.45 g/cm3
断面伸缩率 >20 % 热膨胀系数 (6.6～11.0)×10-6℃
可恢复应变 2 % 线膨胀系数 10×10-6 ℃-1
疲劳强度σ-1 558 MPa 电阻率 8×106 Ω•cm`
弹性模量E 61740 MPa 热导率（108℃） 0.037 cal/cm•s•℃
硬度 180～250 HV 比热容 6～8 mol•℃