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清華大學(xué)金屬頂刊《Acta Materialia》通過(guò)梯度結(jié)構(gòu)提高NiTi合金的力學(xué)性能和彈性熱效應(yīng)！

2022-01-11 11:25:54 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：定制工程材料的性能以滿足各種應(yīng)用要求是材料科學(xué)中長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。本文展示了一種前所未有的策略，通過(guò)在嚴(yán)重變形的基體上通過(guò)激光表面退火制造梯度結(jié)構(gòu)，在超彈性 NiTi 中實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)的機(jī)械行為和顯著增強(qiáng)的彈熱效應(yīng)。梯度結(jié)構(gòu) （GS） NiTi 片的特點(diǎn)是納米晶芯夾在兩個(gè)粗晶粒層之間，由于熱滲透的自然退化，通過(guò)在厚度內(nèi)進(jìn)行漸進(jìn)退火，實(shí)現(xiàn)了晶粒尺寸梯度。可定制的馬氏體轉(zhuǎn)變特征，從具有準(zhǔn)線性應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的均勻模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂衅脚_(tái)型超彈性的成核和生長(zhǎng)模式，通過(guò)調(diào)整粒度梯度很容易實(shí)現(xiàn)。此外，與具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)納米晶和粗晶 NiTi 相比，GS NiTi 的彈熱冷卻能力和效率分別提高了 50% 和 130% 以上。

通過(guò)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造具有可調(diào)和卓越性能的金屬以滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求一直是材料科學(xué)家的不懈追求。迄今為止，人們一直致力于通過(guò)晶界強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等傳統(tǒng)策略來(lái)改善金屬材料的力學(xué)性能。不幸的是，具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的制造材料通常要么堅(jiān)固要么具有延展性，并且可控性有限。這是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的產(chǎn)品沒有廣泛商業(yè)化用于工業(yè)應(yīng)用的主要原因。最近，人類從大自然中汲取智慧，生產(chǎn)出各種具有漸變微觀結(jié)構(gòu)的仿生梯度結(jié)構(gòu) （GS）材料，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用和增強(qiáng)的耐久性。然而，現(xiàn)有關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)的研究?jī)H集中在傳統(tǒng)金屬材料上，制造 GS形狀記憶合金的可行策略（SMA）仍然不可用。此外， SMA的跨尺度馬氏體轉(zhuǎn)變行為，尤其是微觀結(jié)構(gòu)梯度對(duì)機(jī)械響應(yīng)和相關(guān)的彈性熱效應(yīng)的影響，尚不清楚。開拓這一未知領(lǐng)域?qū)ξ磥?lái)制造業(yè)和材料優(yōu)化具有學(xué)術(shù)和現(xiàn)實(shí)意義。

作為最廣泛使用的 SMA 之一，NiTi 具有良好的功能特性，因此在過(guò)去的幾十年中引起了廣泛的關(guān)注。NiTi SMA 可以被加工以達(dá)到超高強(qiáng)度和非常小的滯后，但通常會(huì)嚴(yán)重?fù)p失延展性和潛熱。NiTi 在航空航天工程、微電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等應(yīng)用中始終需要高強(qiáng)度和小滯后和良好的抗疲勞性，通常僅存在于納米晶體中。還需要粗晶粒具有良好的延展性和較大的滯后（阻尼能力），以防止災(zāi)難性故障并改善大多數(shù)安全關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的抗震保護(hù)。此外，在新興的彈熱冷卻技術(shù)中，特別是在當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境惡化的挑戰(zhàn)下，非常需要巨大的潛熱和低滯后耗散。

因此，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的機(jī)械行為和卓越的彈熱冷卻性能是實(shí)際應(yīng)用中的迫切需求，也是材料科學(xué)家面臨的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。通常采用基于冷加工和時(shí)效處理的晶粒尺寸工程來(lái)調(diào)整 NiTi的熱機(jī)械響應(yīng)，但缺乏同時(shí)考慮材料加工歷史、退火溫度和時(shí)間的原則，以克服所獲得的有限可控性和可重復(fù)性微結(jié)構(gòu)。此外，這種技術(shù)帶來(lái)了均勻的微觀結(jié)構(gòu)，因此不可避免地使 NiTi 處于強(qiáng)度-延展性權(quán)衡和不令人滿意的彈性熱冷卻性能。

根據(jù)與晶粒尺寸密切相關(guān)的材料特性，合成 GS NiTi 應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)細(xì)晶粒和粗晶粒協(xié)同強(qiáng)化的首選。然而，如何為廣泛的工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)大規(guī)模 GS NiTi 仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。表面機(jī)械處理，包括磨損、磨削和軋制，已被廣泛用于在傳統(tǒng)金屬材料中制造梯度結(jié)構(gòu)。晶粒尺寸梯度是由表面處理過(guò)程中從頂面到內(nèi)部的分級(jí)塑性變形引起的。然而，由于眾所周知的超彈性、高強(qiáng)度和巨大的阻尼能力，通過(guò)上述方法引入足夠的塑性變形并相應(yīng)地為超彈性 NiTi 帶來(lái)所需的晶粒尺寸梯度仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)工作中，清華大學(xué)Gang Fang團(tuán)隊(duì)提出了一種尚未探索的設(shè)計(jì)策略，通過(guò)在嚴(yán)重冷軋基板上進(jìn)行激光表面退火來(lái)制造大型 GS NiTi。由夾在兩個(gè)粗晶粒層之間的納米晶核組成的 GS NiTi 實(shí)現(xiàn)了高度可調(diào)的機(jī)械性能和顯著改善的彈熱效應(yīng)。通過(guò)有意調(diào)整晶粒尺寸梯度，可以輕松實(shí)現(xiàn)從具有小滯后和均勻變形的準(zhǔn)線性機(jī)械響應(yīng)到具有大滯后和 Lüders 帶的典型平臺(tái)型超彈性的交叉。此外，彈性熱量冷卻能力（ ΔT ad ）和效率（ COP mat）的 GS NiTi 與均質(zhì)納米晶和粗晶的相比分別提高了 50% 和 130%。這種卓越的性能驗(yàn)證了所提出的策略在調(diào)節(jié)和優(yōu)化SMA的熱機(jī)械性能方面的良好工業(yè)潛力。相關(guān)研究成果以題“Toward tunable mechanical behavior and enhanced elastocaloric effect in NiTi alloy by gradient structure”發(fā)表再金屬頂刊Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421009873

如此顯著的性能突破歸功于 GS NiTi 中細(xì)晶粒和粗晶粒之間的強(qiáng)協(xié)同強(qiáng)化，這是獨(dú)立結(jié)構(gòu)無(wú)法提供的。獨(dú)特的強(qiáng)化機(jī)制被激活，即使在沒有塑性變形的情況下，異質(zhì)域之間的高度機(jī)械不相容性和馬氏體變體所產(chǎn)生的明顯應(yīng)變梯度也是如此。這項(xiàng)工作為制造具有所需機(jī)械性能的塊狀 GS 材料開辟了一條新途徑并激發(fā)了各種鐵彈性材料的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以產(chǎn)生巨大的熱量效應(yīng)。

圖 1。材料和試樣制備工藝的示意圖。

圖 2 顯微硬度隨深度的變化。插圖顯示了頂部~ 50 μm深度的梯度結(jié)構(gòu)（GS）試樣的納米壓痕載荷-深度曲線。

圖 3 典型梯度結(jié)構(gòu)（GS） NiTi試樣的微觀結(jié)構(gòu)（即GS- ii）。（a）具有選區(qū)電子衍射圖樣的亮場(chǎng)透射電鏡顯微圖，（b）不同深度對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布。

圖 4 沿深度的平均晶粒尺寸和最高溫度的變化。插圖顯示了與深度相關(guān)的納米壓痕載荷-深度曲線。

圖 5。微觀結(jié)構(gòu)梯度對(duì)NiTi應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。（a）等溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）正向和反向相變過(guò)程中激光處理表面的縱向代表性全場(chǎng) DIC 應(yīng)變模式。

圖 6。從梯度結(jié)構(gòu) （GS）試樣的兩側(cè)去除表面層的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖例表示兩側(cè)的層厚度減少。

圖 7。冷軋（CR）和梯度結(jié)構(gòu) （GS） NiTi 的彈熱效應(yīng)。（a）平均溫度隨時(shí)間變化的演變。（b）冷卻能力和效率。

圖 8。梯度結(jié)構(gòu) （GS）和均質(zhì)納米晶（NC） NiTi 之間的熱機(jī)械性能比較。（a）單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b） NC NiTi 正向和反向相變過(guò)程中的應(yīng)變分布。（c）絕熱冷卻溫度下降和（d）能量耗散隨施加應(yīng)變的變化。（c）和（d）中的插圖分別顯示了ΔT GS / ΔT NC和COP mat 的相應(yīng)變化。

圖 9。梯度結(jié)構(gòu) （GS）和均勻粗晶（CG） NiTi 之間的彈熱冷卻性能比較。

圖 10。梯度結(jié)構(gòu) （GS） NiTi 側(cè)表面的熱成像。（a）不同負(fù)載階段的一系列放大局部溫度曲線。剖面 A 中的紅色虛線表示試樣邊緣。插圖顯示了頂部（激光處理）和側(cè)表面的平均溫度隨時(shí)間的變化。（b）絕熱加載（C）和卸載（G）階段橫向表面的溫度分布。黑色實(shí)線（1-2 和 3-4）橫跨樣品的整個(gè)厚度。

圖 11。梯度結(jié)構(gòu) （GS）和均質(zhì)納米晶（NC） NiTi 之間側(cè)面應(yīng)變分布的比較。（a）橫向應(yīng)變ε x（左）和縱向應(yīng)變ε y（右）在不同施加應(yīng)變ε app 下的局部應(yīng)變分布。（b） ε app = 4% 時(shí)GS 和 NC NiTi 側(cè)面的應(yīng)變分布。插圖展示了不同ε app 下的橫向應(yīng)變差 Δ ε x。

總之，我們通過(guò)構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)在 NiTi形狀記憶合金中實(shí)現(xiàn)了高度可定制的機(jī)械性能和顯著改善的彈性熱冷卻性能。梯度結(jié)構(gòu) （GS） NiTi 由夾在兩個(gè)晶粒尺寸逐漸轉(zhuǎn)變的軟粗晶粒層壓板之間的硬納米晶芯組成，是在重冷軋后通過(guò)激光表面退火生產(chǎn)的。通過(guò)計(jì)算溫度的一致分布和沿深度測(cè)量的晶粒尺寸證明的漸進(jìn)退火解釋了獲得的梯度微結(jié)構(gòu)。馬氏體轉(zhuǎn)變的漸變從具有均勻變形和近線性機(jī)械響應(yīng)的均勻模式到具有 Lüders 帶和轉(zhuǎn)變應(yīng)力平臺(tái)的局部模式的行為隨著微觀結(jié)構(gòu)梯度的減少而發(fā)生。此外，彈性熱量冷卻能力（ ΔT ad ）和效率（ COP mat）的 GS NiTi 相對(duì)于傳統(tǒng)的均質(zhì)納米晶和粗晶 NiTi 分別可以提高 50% 和 130%。

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