導讀：本文研究了低溫時效引起的納米偏析對Ti-50.9 at.% Ni循環(huán)響應的影響。混合蒙特卡羅/分子動力學(MC/MD)模擬表明，在523 K時低溫時效達到了最明顯的納米偏析。分子動力學模擬結果表明，在正反向轉化過程中，由于釘住效應，Ni簇阻礙B2位錯的推進，而B2位錯的滑移活性優(yōu)于NiTi的滑移活性，從而顯著提高了對功能退化的抵抗能力。實驗表明，在523 K下低溫時效作用2 小時，由此產生了納米偏析，這可以大大提高Ti-50.9 at納米晶的超彈性穩(wěn)定性。經過50次加載-卸載循環(huán)，低溫時效試樣的殘余應變降低了50%，耗散能增加了200%。以上實驗結果有利于采取納米結晶和納米偏析結合的方法，設計出具有高穩(wěn)定性的NiTi形狀記憶合金。

NiTi形狀記憶合金(SMA)具有超彈性和形狀記憶效應，在航空航天和生物醫(yī)學領域受到了廣泛關注。這些特殊的性能與立方奧氏體(B2)和單斜馬氏體(B19′)之間的可逆馬氏體轉變(MT)有關。然而，在奧氏體-馬氏體界面附近高局部應力引起的位錯滑移不可避免地會增加NiTi的不可逆性，降低其耗散能。隨著循環(huán)，功能退化不斷累積，最終導致功能疲勞，極大程度上限制了NiTi的實際應用。目前抑制NiTi位錯滑移的主要方法包括通過時效粗晶NiTi析出Ni4Ti3和通過劇烈塑性變形形成納米晶。第二種方法中晶界強化對位錯運動具有明顯阻抗，能更有效地減弱NiTi的功能疲勞。下一步，本文講研究是否存在其他位錯抑制手段來進一步提高納米晶NiTi的循環(huán)性能。

最新的高分辨率透射電鏡(HRTEM)觀察證實，在523 K低溫時效(LTA)后，Ni50.8Ti49.2和Ni50.9Ti49.1基體中存在Ni原子的納米偏析。由此產生了原子尺度應變波動，溫度范圍擴大時，內摩擦顯著增加。Shamimi等提供了另一個實驗證據(jù)來驗證523 K低溫時效后Ni50.8Ti49.2中的納米偏析。當TEM樣品沿B2方向傾斜時，選擇區(qū)域電子衍射(SAED)模式中的擴散強度歸因于Ni團簇的出現(xiàn)。伴隨著化學波動和晶格畸變的納米偏析將形成一個堅固的原子和能量結構，從而降低了高熵合金鋼、鋁合金和鎂合金等彈塑性材料中的位錯遷移率。然而，由于SMA中位錯滑移與可逆MT之間復雜的相互作用，納米偏析如何影響NiTi中的位錯遷移率，以及納米偏析是否提高了NiTi的功能穩(wěn)定性也尚不清楚。

本文旨在通過原子模擬與實驗相結合的方法揭示納米偏析對鎳鈦循環(huán)響應的影響。首先，采用混合蒙特卡羅/分子動力學(MC/MD)方法，使得納米偏析的發(fā)展與低溫時效溫度和持續(xù)時間的關系可視化。接著本文通過分子動力學模擬揭示了納米偏析對NiTi的位錯滑移和循環(huán)性能的影響。最后，通過力學循環(huán)實驗驗證了納米偏析對納米晶NiTi超彈性穩(wěn)定性的增強作用。

同濟大學林建平等教授相關研究以“Improved superelastic stability by nanosegregation via low-temperature aging in Ti-50.9 at.% Ni shape memory alloy”為題發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964622400085X?via%3Dihub

圖1所示。MC/MD模擬預測了局部Ni濃度隨LTA溫度和持續(xù)時間的變化。偏析度用SD表示。Ni簇的面積分數(shù)、平均尺寸和平均間距分別為f、l和d。在一些圖中，由于弱隔離，f、l和d的值缺失。

圖2. (a)邊緣位錯和(b)螺旋位錯的MD模擬設置。循環(huán)剪切的單晶NiTi的MD模擬結果包括(c) (011)[100]B2未時效的邊緣位錯，(d) (011)[100]B2 LTA后的邊緣位錯(通過MC/MD在523 K時效1600 ps實現(xiàn))，(e) (011)[100]B2未時效的螺旋位錯和(f) (011)[100]B2 LTA后的螺旋位錯(通過MC/MD在523 K時效1600 ps實現(xiàn))。循環(huán)剪應力-剪切應變曲線如圖c1、d1、e1、f1所示。位錯平均位移(DD)與剪切應變的關系為c2、d2、e2和f2。循環(huán)前滑移面位錯線快照疊加的Ni濃度圖(P0)和每個循環(huán)結束時(P1 ~ P5)由c3、d3、e3、f3表示。

圖3 (a)納米晶Ti-50.9 at的DSC曲線。% Ni樣品。(b)納米晶Ti-50.9 at的XRD譜圖。LTA前(樣品#1)和LTA后(樣品#4)在523 K下加熱2小時。(c)樣品4的亮場圖像。插圖是標記晶粒的衍射圖樣。(d) Ti-50.8 at的HRTEM。在523 K下LTA后的% Ni顯示Ni原子沿指定原子陣列的周期性排列表明存在Ni偏析。

圖 4 . (a-d)納米晶Ti-50.9 at的循環(huán)應力-應變曲線。% Ni樣品。(e)殘余應變()隨循環(huán)的演化。(f)耗散能隨循環(huán)的演化。

綜上所述，本文采用混合蒙特卡羅/分子動力學(MC/MD)模擬預測，發(fā)現(xiàn)Ti-50.9 at的納米偏析最強。523 K時效后，制成了Ti-50.9 at.% Ni ，700 K以上的時效后，合金的偏析不再明顯。分子動力學模擬結果表明，NiTi(以{011}<100>B2體系為主)中在正反轉變過程中均加大了位錯，并且由于釘住效應的存在，分散的Ni簇的存在削弱了位錯的遷移率，提高了對功能降解的抵抗能力。實驗表明，低溫時效產生的納米偏析可以降低一半的Ti-50.9 at納米晶的殘余應變 (從3.30%降至1.70%)，降低三倍的飽和耗散能 (從1.7 MJ/m3降至5.2 MJ/m3)。經過50次加載-卸載循環(huán)，低溫時效后的試樣的殘余應變降低了50%，耗散能增加了200%。以上實驗結果促進了采用納米結晶和納米偏析的結合的方法，設計出具有優(yōu)越彈性和穩(wěn)定性的NiTi形狀記憶合金。