北京科技大學(xué)王沿東教授團隊近期發(fā)現(xiàn)“超臨界彈性”現(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上成功制備無滯后的超彈性金屬，在室溫下具有高達15.2%零滯后彈性形變，最高超彈應(yīng)力達1.5 GPa。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了制約金屬材料獲得無滯后超高彈性的經(jīng)典馬氏體相變理論，具有重要的理論科學(xué)與工程應(yīng)用價值。

從太空和深海勘探到智能機器人，各種各樣的高性能工程應(yīng)用都需要金屬部件，這些金屬部件必須能夠在很大的溫度范圍內(nèi)具有一定的可逆變形性。由于金屬中原子鍵的固有限制，屈服應(yīng)力和楊氏模量控制的彈性應(yīng)變極限很少超過15％。相比之下，許多基于應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的合金中，例如基于NiTi-，F(xiàn)e-和Cu-的形狀記憶合金，可以實現(xiàn)高達10％的可恢復(fù)彈性應(yīng)變，也稱為超彈性。隨著科技的進步與勘探等需求，迫切需求開發(fā)出彈性性能更高的金屬材料。

近日，北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室王沿東教授團隊成功制備出寬溫域下具有零滯后超高彈性應(yīng)變的NiCoFeGa單晶纖維，具有高達15.2%零滯后彈性形變，最高超彈應(yīng)力達1.5GPa；斷裂強度及延伸率分別超過1.6GPa和16%，而且在123-423K溫度范圍內(nèi)其超臨界彈性基本不受溫度影響。相關(guān)論文以題為“Unprecedented non-hysteretic superelasticity of [001]-oriented NiCoFeGa single crystals”發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Materials》。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41563-020-0645-4

該團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，通過增加Co的濃度可以降低Ni55-xCoxFe18Ga27（原子百分比）合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，并且當(dāng)x≥11時，熱誘導(dǎo)的馬氏體轉(zhuǎn)變被完全抑制。為了研究不同的Cox合金在拉伸應(yīng)力下的力學(xué)性能，制備了一系列直徑約30-500μm的單晶纖維，具有平行于纖維軸的[001]取向和L21立方奧氏體結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)Co6合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變特性，在加載和卸載平臺之間表現(xiàn)出較大的滯后現(xiàn)象。Co10纖維顯示出狹窄的應(yīng)力滯后和13％的超彈性應(yīng)變。隨著Co濃度的增加，平坦區(qū)域消失，超彈性應(yīng)力明顯上升。Co含量≥12的纖維表現(xiàn)出三線性非滯后應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對于Co20合金，最大非滯后超彈性應(yīng)變達到15.2％，應(yīng)力為1.5GPa，斷裂強度超過1.6GPa，伸長率為16.1％，具有極好的可逆性且可重復(fù)性超過8000個循環(huán)。

圖1 Ni55-xCoxFe18Ga27合金的超彈性行為

通過透射電鏡和中子衍射結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，由于短程和長程晶體結(jié)構(gòu)的改變，退火溫度對超彈性影響很大。對于Co15，523K退火后，應(yīng)力從300MPa增加到700MPa，從應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)榉菧蟪R界彈性；對于Co20，隨著退火溫度提高到673K，10%應(yīng)變下的超彈性應(yīng)力從750MPa增加到1.3GPa。結(jié)構(gòu)缺陷與原子能級有關(guān)，原子尺度有序和無序晶體結(jié)構(gòu)的糾纏，增強了晶體抵抗塑性變形的能力，抑制了一階馬氏體轉(zhuǎn)變，取而代之的是微觀連續(xù)相變。

圖2 NiCoFeGa纖維中超彈性的原位同步加速器表征

圖3 Co20單晶在不同溫度下的中子衍射測量值

圖4 不同退火溫度下合金的顯微組織和力學(xué)行為

由此可見，這種新型無滯后彈性形變起源于應(yīng)力作用下的晶格連續(xù)畸變，顛覆了傳統(tǒng)的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變理論，打破了這一理論對金屬材料超臨界彈性的限制，從而獲得了具有無滯后的超高彈性金屬材料。這一現(xiàn)象現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為超高彈性功能材料開辟了新方向及應(yīng)用，為材料超臨界性能研究提供了新的思路，即可以通過材料原子尺度的有序與無序糾纏進而調(diào)控某項性能。