形狀記憶合金（shape-memory alloy）具有形狀記憶效應，在低溫時發生的形變會在高溫時恢復而變成原始狀態（或接近原始的狀態）。這一特性使得其在航天領域有著廣泛的應用，低溫下壓縮形狀記憶合金設備可以減少航天器運載時所需的空間，到達目的地后，在高溫下恢復原有形狀則可以正常使用。1969年美國的“阿波羅”11號登月艙在登月后使用的直徑數米的天線就是用形狀記憶合金的材料合成。

    圖一，“阿波羅”11號登月，右上角的天線為形狀記憶合金材料。

    另外，形狀記憶合金還具有超彈性（superelasticity），宏觀上表現為比一般金屬大的多的形變恢復力。這一特性使得它在醫療器械、建筑減震以及日常生活中得到了廣泛的應用，牙齒正畸器、人造骨骼、地震阻尼器、眼睛鏡架上處處能看到形狀記憶合金的身影。

    目前常見的形狀記憶合金通常基于Ti、Ti-Ni合金、Cu、Fe、Ni、Co等金屬，密度較大，而基于Mg和Al等較輕合金的輕質形狀記憶合金還未見報道。近日，日本東北大學的Daisuke Ando和Yuji Sutou等人發現Mg-Sc原子比在4:1左右時能夠形成形狀記憶合金，而該合金的密度僅為2 g/cm3左右，遠小于已有材料。這種輕質鎂鈧形狀記憶合金在對重量控制嚴苛的領域（諸如航空航天）存在著巨大的應用潛力，相關工作發表在《Science》上。

    作者通過X射線衍射（XRD）發現， Mg–20.5 at % Sc這種輕金屬合金在熱處理并降溫后有著與普通Mg基金屬的六方密堆積不同的體心立方結構（bcc）（圖二A黑線），同時伴隨少量的六方密堆積相（hcp）。在樣品受力冷軋過后，XRD衍射圖上出現了新的衍射峰（圖二A紅線），這種應力誘導的新相產生過程類似于β相Ti-基形狀記憶合金的馬氏體相變（martensitic transformation）。作者通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察到了樣品上層狀的馬氏體，證實了這一猜想。

    圖二，Mg–20.5 at % Sc樣品在熱處理冷卻后（黑色），冷軋處理（紅色）和拉伸斷裂后（藍色）的X射線衍射結果。β相為bcc結構，α相為hcp結構。

    進一步的，作者在不同溫度下對樣品進行了應力應變測試，如圖三A到D所示，應力應變測試選擇了20 ℃、-50 ℃、-100 ℃和-150 ℃四個溫度，按1%、2%、3%、4%的拉伸應變先后拉伸樣品并卸力，觀察樣品在受力后的恢復情況。從結果可見，在20 ℃、-50 ℃、-100 ℃下，樣品的塑性形變（plastic deformation）在卸力后仍然保持。而在-150 ℃時，樣品可以在卸力后恢復原始的形狀，表現出了超彈性。經過測試，在拉伸應變為8%時，樣品仍然具有一定的恢復能力（圖三E）。樣品的最大超彈性應變達到了4.4%，與多數β相Ti-基形狀記憶合金相似（圖三F）。

    圖三，Mg–20.5 at % Sc樣品在20 ℃、-50 ℃、-100 ℃和-150 ℃時的循環拉伸應力-應變曲線。

   作者還在不同溫度下研究了樣品的超彈性，發現樣品只有在低于-120 ℃到-100 ℃區間內的某個溫度時才會出現超彈性，由應力可以引發馬氏體相的出現。而高于這個溫度時，樣品在受力時則表現出了塑性形變（圖四）。值得一提的是，馬氏體相變除了可以通過應力誘導，還可以通過溫度誘導。但作者通過不同溫度下樣品的電阻率測試確定，即使到了-272.6 ℃的低溫，樣品也仍然沒有馬氏體相的出現。

    圖四，Mg–20.5 at % Sc樣品的應力和超彈性應變對溫度的變化曲線。

    總結一下，Mg–20.5 at % Sc合金在-150 ℃時表現出了超彈性，其最大超彈性應變達到了4.4%，可與β相Ti-基形狀記憶合金媲美。這類合金的密度為2 g/cm3左右，要遠遠小于之前所發現的形狀記憶合金（圖五）。正因為如此，盡管這類鎂鈧合金材料的價格昂貴，它們仍然有望應用于航空航天等對重量要求較高的領域上。

    圖五，形狀記憶合金的比重和最大超彈性應變的關系圖。

    形狀記憶合金在馬氏體下可以產生塑性形變而保留變形，當升高至合適溫度時，馬氏體會向母相轉變，由于馬氏體的低對稱性等因素，馬氏體和母相之間具有特定的對應關系，經逆轉變而得到的母相將完全恢復原有形狀。

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責任編輯：王元

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