形狀記憶合金（shape memory alloy，簡稱 SMA）是有「記憶」的合金：它們受壓力或溫度變化而發生變形後，能夠恢復到初始形狀。SMA 有著廣泛的應用，包括冶金、製造、生物醫學以及兒童工藝品，其應用範圍不斷擴展到各個領域。
什麼是形狀記憶合金？形狀記憶合金是一種受到機械應力或溫度變化時會發生相變的材料。SMA 會「記住」它的初始形狀，並在條件恢復正常時恢復到原來的形狀。
SMA 材料的兩種晶體結構稱為奧氏體 和馬氏體，前者是 SMA 在較高溫度下的結構，後者則是在較低溫度下的結構。奧氏體向馬氏體的轉變就是這種「記憶」特性的原因所在（反之亦然）。
SMA 中的基本相變過程。
SMA 的常用材料包括銅鋁鎳合金和鎳鈦合金，後者通常被稱為鎳鈦諾，指的是其元素組成（ni 表示鎳，ti 表示鈦）以及它首次被發現的場所（nol 表示海軍武器實驗室，我們將在本文稍後部分進行討論）。
鎳鈦合金（這是一種 SMA）製成的線圈。
如果在各種電子商務網站搜索「鎳鈦諾」，你會發現，不少商家都在售賣形狀記憶合金絲和其他類型的記憶材料。
都是巧合：形狀記憶合金的發現之旅關於 SMA 材料特性的發現，還有一個故事。對這種材料的早期研究始於 20 世紀 30年代，當時科學家們研究了不同金屬表現出的一些意想不到的特性。瑞典化學家 Arne Ölander 在觀察金鎘合金時發現了一種偽彈性現象，並對其進行了描述。然而，直到大約 30 年後的一次實驗室事故，人們才真正開始使用「形狀記憶合金」一詞……
到了 20 世紀 50 年代末 60 年代初，美國海軍武器實驗室進行了冶金研究。有一天，一位名叫 William J. Buehler 的科學家正在熔煉和鑄造鎳鈦棒。在等待棒冷卻時，他把一根冷卻棒掉在了混凝土地板上，並聽到了沉悶的撞擊聲。他覺得這很奇怪，隨後又把一根還很熱的鎳鈦棒也扔在地板上，這時他聽到了像鈴聲一般清脆的聲音。Buehler 擔心鑄造過程出了問題，於是他跑到飲水機旁，將這根熱的鎳鈦棒放入涼水中進行冷卻。然後又把這根剛冷卻好的鎳鈦棒扔到地上，這時他又聽到了沉悶的撞擊聲。
意外驚喜：把一根鎳鈦棒掉到地板上，從而發現了它獨特的記憶特性。
這一效應後來在海軍武器實驗室的一次會議上得到證實。Buehler 的助手給眾人分發了細細的鎳鈦合金條，細條已經被拉伸、彎曲和摺疊，就像手風琴一樣。當 David S. Muzzey 博士拿到合金條時，他拿出打火機對它加熱，合金條很快展開並恢復到最初的細條形狀。在認識到鎳鈦合金在不同溫度條件下的特質和特性後，人們將這種材料稱為鎳鈦諾，這是一種 SMA。
從近年和未來的發展趨勢看，形狀記憶材料已經不再局限於合金。人們已經開發出形狀記憶聚合物和其他各種形式的形狀記憶材料，並將它們用於不同的商業用途。
SMA 製造實現跨行業應用SMA 獨特的性能使其成為各行業製造產品和零部件極具吸引力的首選材料。
航空航天在航空航天工業中，SMA 用於開發輕量級、安靜、高效的設計：這三個因素一直是飛行器設計的焦點。可變截面扇形噴嘴、減震器和致動器等部件都由 SMA 材料製成。這些裝置在正常溫度下為奧氏體，在因飛行器周圍氣流導致的溫度變化或正常飛行過程中環境溫度的變化而冷卻時轉變為馬氏體（以及所需的形狀）。
引起相變的溫度變化可以由不同的方式產生，可以通過一個電子元件對 SMA 裝置加熱，也可以由飛機其他部件的過量空氣導致。
飛行器研發中使用的形狀記憶材料樣本。
形狀記憶材料的最新科技創新是機翼變形技術。SMA 被用於開發一種自適應性機翼，在飛行過程中可以彎曲和改變形狀。
汽車地面上的機動車也受益於 SMA，但其用途更多地體現在舒適性和易用性方面，而不是操作。比如，有些汽車帶有 SMA 閥，用於座椅中的氣囊，在一定的壓力下，座椅上的腰託可以完美地貼合司機或乘客的腰部。
此外，SMA 還用於製造致動器，使汽車後備箱更容易關閉，以及製造閥來控制發動機中的噪聲和振動（這是汽車工業中的一個重要性能指標），改善噪聲、振動和聲振粗糙度（noise, vibration, and harshness，簡稱 NVH）。
建築SMA 的另一個應用領域是建築設計。舉例來說，在SMA rods in concrete beams有助於對橋梁或建築物施加預應力。從較小尺度上來說，形狀記憶材料可用於在管道系統中增強管件的可靠性。
醫學將 SMA 應用於生物醫學可以減少患者對醫療幹預的需求。比如，醫用支架可植入動脈，以微創方式改善心臟病患者的血液流動。微執行器和人造肌肉依靠 SMA 來製造機械假肢器官，幫助截肢患者更加自如地活動。
心臟支架是一種微創心臟治療方法，通常由 SMA 材料製成。（註：圖片取自生物醫用支架膨脹過程中的塑性變形教學案例，其中不包含 SMA，在這裡純粹是為了說明上面討論的應用）。
從較小尺度上來說，SMA 也用於畸齒矯正，如牙套；還用於驗光，比如眼鏡。如果眼鏡框是用形狀記憶材料製造的，那麼即使它發生彎曲變形也無需更換，你可以對鏡框加熱，使其恢復原來的形狀。
SMA 的其他用途近來，形狀記憶材料已經應用於消費電子產品。比如，智慧型手機相機的自動對焦組件和某些移動天線就是用 SMA 製成的。
有些工藝品和玩具也使用了 SMA，「柔性手鐲」就是一個例子，這種手鐲由形狀記憶材料製成，可以彎曲和扭轉，然後很容易就能恢復原來的形狀。（遺憾的是，Slinky® 玩具是用一種鋼製成的，纏結之後無法恢復成緊密纏繞的線圈，這是各地兒童共同面臨的一個問題。）
缺點和設計注意事項在開發以 SMA 為原材料的設計或組件時，人們需要考慮一些因素和風險。SMA 的主要缺點是存在疲勞失效風險。特定 SMA 材料在彎曲變形後能大致恢復初始形狀的次數是有限的（次數過多就可能會斷裂）。
另一個缺點是，對於某些 SMA，相變的滯後時間相當長。如果你在網上搜索「形狀記憶合金」視頻，就會發現材料恢復到初始形狀的速度可能很慢，並且無法預測。
滯後時間和疲勞等缺點會在 SMA 相變周期中引發問題。
從製造的角度來看，SMA 的生產成本可能很高，這限制了製造商和消費者對 SMA 的使用。不僅如此，由於這些材料大多依賴於溫度產生變形，因此在不可控或不穩定溫度條件下運行的設備中使用 SMA 存在一定的風險。以汽車應用中的 SMA 為例，它必須能夠在汽車可能經受的所有溫度條件下正常工作。
在 COMSOL Multiphysics® 中模擬形狀記憶合金由於 SMA 發生的相變非常複雜，因此它的結構很難描述。這種複雜性使建模工作變得非常困難。
COMSOL® 軟體中，「非線性結構材料模塊」包含兩種最常見的 SMA 材料模型：Lagoudas 和 Souza-Auricchio。在仿真中使用這些材料模型，你可以定義 SMA 的奧氏體和馬氏體屬性以及相變屬性。通過固體傳熱 和固體力學 接口之間的內置耦合，你還可以輕鬆地分析 SMA 中的傳熱。
形狀記憶合金的單軸載荷教學案例演示了如何在 COMSOL Multiphysics® 軟體中使用 SMA 材料模型。
在該教學案例中，鎳鈦諾圓筒受到軸向拉力作用，其中執行了三項獨立的研究：
參數化掃描，顯示不同定溫下的偽彈性效應
指定位移掃描，顯示偽彈性效應是一個部分卸載-部分加載的循環
形狀記憶效應，在溫度升高後表現出來
該模型表明 SMA 存在溫度相關的應力極限。當軸向拉力達到應力極限時，材料結構從奧氏體轉變為馬氏體，也就是發生「正向」轉變（變形）。
SMA 在不同溫度下的應力和應變。
在軸向應力卸載過程中，材料會發生反向轉變。這種「反向」轉變發生在比正向轉變應力極限低的應力水平，結果表現為材料恢復到原來的形狀。
應力和應變曲線，闡釋了合金中的形狀記憶效應。
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