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山東大學《Scripta Mater》：形狀記憶合金的反常應力應變行為！

2021-09-08 16:00:07 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

近等原子的NiTi形狀記憶合金在B2結構的奧氏體（A）和B19‘馬氏體（M）之間發生熱彈性轉變，產生形狀記憶和超彈性效應，這種特性在實際應用中得到廣泛應用。除了獨特的功能特性外，NiTi合金的塑性變形機制引起了越來越多的關注，因為伴隨馬氏體轉變（MT）的塑性變形是NiTi合金功能退化的主要原因之一。因此，了解這些塑性活動的機理是提高NiTi合金功能穩定性的關鍵步驟。

NiTi中伴隨MT的塑性變形起源已有實驗和模擬進行研究，但是應力誘導MT過程中NiTi合金塑性變形的機理仍然不明確，主要是由于該過程的復雜性，包括相變、位錯滑移、馬氏體孿晶遷移和形成孿生等。此外，NiTi的變形行為對許多其他因素敏感，例如：晶體取向和織構、夾雜物、晶粒尺寸等，已有研究表明非常規變形行為的實驗工作可能有助于理解NiTi合金的塑性變形，所以針對NiTi合金研究超彈性變形到塑性變形的轉變很有必要。

來自山東大學的研究人員觀察了NiTi合金在接近超彈性窗口邊界時的超彈性行為，以研究從超彈性變形到塑性變形的轉變，證實了缺陷在轉變過程中的作用。相關論文以題為“Anomalous stress-strain behavior of NiTi shape memory alloy close to the border of superelastic window”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114135

研究發現合金超彈性應力應變曲線的兩個連續循環中，應力誘導馬氏體轉變（SIMT）在第二個循環中的臨界應力低于第一個循環，但僅僅是低于第一個循環中達到的最大應變值，一旦應變超過第一個循環的極限值，臨界應力就會回到原始水平。在第二個循環后觀察到不可恢復應變少量增加（約0.5%）。觀察到異常的應力應變行為，第二次循環的平臺應力高于第一次循環的平臺應力，這與傳統的超彈性行為不同。

與823K退火樣品的行為相反，當應變超過第一個循環的極限時，平臺應力下降到第一個循環的原始水平。因此在第二個循環中，違反預期的自然順序，變形首先在高應力下進行，然后在顯著較低的應力下進行；第一個循環顯示出良好的超彈性，但第二個循環可恢復應變范圍縮小。在第一個循環中可逆（超彈性）的應變（4.3%）在第二個循環中變得不可逆。高達25%應變的加載-卸載循環，表明這些不尋常的特征在連續循環中持續存在，直到應變變為純塑性。

圖1 （a）823K和（b）873K退火后合金的應力應變曲線

圖2 合金的冷拉加卸載應力應變曲線和電阻曲線

圖3 合金在873K退火后的EBSD取向圖和TEM圖

變形樣品中MT的兩個步驟應該與遭受SIMT且未變形的材料部分相關。主要觀察的是MT的第二步，與遭受SIMT的樣本部分相關，轉移到較低的溫度。遠低于超彈性范圍時，缺陷通過它們的應力場幫助進行連續的轉換；對于接近超彈性范圍極限的應力誘導MT，所產生的缺陷強烈阻礙了連續的MT。接近超彈性范圍邊界時塑性變形的作用發生變化，導致從傳統的超彈性轉變為具有某些反常規特征的異常應力應變行為。