形狀記憶合金在變形后可以恢復(fù)原來的形狀，這使得它們在各種特殊的應(yīng)用中都很有用。金屬形狀記憶合金的超彈性行為始于臨界應(yīng)力，臨界應(yīng)力隨溫度的升高而增大。溫度依賴性是其共同的特點，經(jīng)常限制了金屬形狀記憶合金的應(yīng)用。

近日，日本東北大學(xué)的Toshihiro Omori團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一個鐵基超彈性合金體系，該體系的臨界應(yīng)力可以得到優(yōu)化，在較低溫度下具有較小的臨界應(yīng)力變化，具有重要應(yīng)用前景。相關(guān)論文以題為“Iron-based superelastic alloys with near-constant critical stresstemperature dependence”于08月14日發(fā)表在Science上。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/855

形狀記憶合金（SMA）是一種智能材料，由于可逆馬氏體相變而表現(xiàn)出很大的可恢復(fù)應(yīng)變。SMAs具有兩個特殊的具有實際意義的特性：形狀記憶效應(yīng)（SME）和超彈性（SE）。在SME中，通過加熱致馬氏體可以恢復(fù)較大的應(yīng)變。通過卸載與應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體的反向轉(zhuǎn)變可以得到SE。

自SME在Au-Cd合金中的首次報道以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多SMA體系。Ti-Ni系統(tǒng)因其具有良好的形狀記憶和機械性能，以及耐腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。然而，Ti-Ni合金的高成本和較差的冷可加工性限制了其在細(xì)線或細(xì)管產(chǎn)品上的應(yīng)用。低成本、高可用性的Fe基的SMAs可以開拓更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。鐵基超彈性合金已成功地在Fe-Ni-Co-Al和Fe-Mn-Al-Ni體系中合成。然而，這些合金的溫度范圍仍然需要擴大，以適應(yīng)不同類型的應(yīng)用。相比于Ti-Ni系統(tǒng)，F(xiàn)e-Mn-Al-NiSMA合金系統(tǒng)具有更低的成本和更好的冷加工性能，是一種很有前途的候選者。廉價的Fe-Mn-Al-Ni基礎(chǔ)的SMAs不僅對小型應(yīng)用有吸引力，對大型應(yīng)用也有吸引力，例如，在建筑和橋梁中的地震應(yīng)用。

溫度的變化是不可避免的，材料的性能，包括形狀，由于熱膨脹通常也會發(fā)生變化。由于母相相對于馬氏體相具有更高的穩(wěn)定性，導(dǎo)致馬氏體相變所需的臨界應(yīng)力隨溫度的升高而增大。因此，臨界馬氏體相變應(yīng)力最終大于屈服應(yīng)力，即發(fā)生塑性變形而不是SE。這就限制了Ti-Ni合金室溫下SE的溫度范圍小于100 K。即使在這個溫度范圍內(nèi)，由于溫度波動導(dǎo)致的不穩(wěn)定性能也會限制其應(yīng)用。這種溫度依賴性促使工程師和科學(xué)家們尋找對溫度不敏感甚至溫度不變性的材料。一個公認(rèn)的材料具有溫度不變性，即熱膨脹幾乎為零的例子是因瓦合金Fe-36Ni。然而，實現(xiàn)具有臨界應(yīng)力溫度不變性的SMA具有挑戰(zhàn)性。

在此，研究者發(fā)現(xiàn)一種Fe-Mn-Al-Cr-Ni SMA可以解決上述缺陷。通過在10到400 K之間加入溫度不變性幾乎為零的Cr，可以將臨界應(yīng)力的溫度依賴性從正調(diào)到負(fù)。更重要的是，在本文中的Fe-34Mn-13.5Al-3Cr-7.5Ni合金中，臨界應(yīng)力與溫度的關(guān)系幾乎為零。3Cr的平均溫度依賴10到300 K溫度范圍內(nèi)的估計為0.085MPa/K，比傳統(tǒng)的Fe-Mn-Al-Ni合金（0.514MPa/K）小一個數(shù)量級，比實際的Ti-Ni合金（5.87MPa/K）小兩個數(shù)量級。這種現(xiàn)象體現(xiàn)了溫度不變的應(yīng)力依賴性。這種特性對于一系列基于外層空間的應(yīng)用和其他溫度波動較大的潛在應(yīng)用價值是非?？捎^的。

圖1 Fe-Mn-Al-Cr-Ni形狀記憶合金體系的力學(xué)性能

圖2 Fe-34Mn-13.5Al-3Cr-7.5Ni單晶樣品的力學(xué)性能。

圖3 Fe-Mn-Al-Cr-Ni合金體系的熱力學(xué)分析

圖4 Fe-Mn-Al-Cr-Ni與其他傳統(tǒng)形狀記憶合金的比較

私人公司和政府機構(gòu)對太空探索日益增長的興趣推動了對新材料的需求。探索像月球或火星這樣的天體需要在大溫度范圍內(nèi)工作的材料。 月球的晝夜變化量溫度為400-100K，而火星的溫度晝夜變化量為290 – 120 K。本文中的鐵基超彈性合金在較低溫度下具有較小的臨界應(yīng)力變化（圖2 b），這意味著像3Cr這樣的合金有潛力用作展開望遠(yuǎn)鏡的彈簧，探測車輪胎，航天器和振動控制系統(tǒng)以及應(yīng)用在月球基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展。