導(dǎo)讀：Ni4Ti3沉淀相對(duì)NiTi形狀記憶合金中的馬氏體相變具有重要的影響。但目前其中的一些基本問(wèn)題仍懸而未決。利用基于相場(chǎng)法的計(jì)算機(jī)模擬，本文研究了Ni4Ti3沉淀相析出過(guò)程中的微觀組織演化及其對(duì)B2→R 馬氏體相變的影響，系統(tǒng)研究了Ni4Ti3沉淀相引起的成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)馬氏體相變的耦合作用。發(fā)現(xiàn)伴隨Ni4Ti3沉淀相的成分非均勻能夠明顯改變局域的馬氏體相變起始溫度進(jìn)而對(duì)全域的馬氏體相變動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生顯著影響，而Ni4Ti3沉淀相引起的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)能夠通過(guò)變體選擇決定馬氏體疇的孿晶結(jié)構(gòu)。因此，有望通過(guò)設(shè)計(jì)沉淀相形成的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)Invar合金。該研究為理解沉淀相調(diào)控馬氏體相變的機(jī)理提供了基礎(chǔ)，能夠?yàn)椴牧系臒釞C(jī)械處理提供指導(dǎo)，通過(guò)設(shè)計(jì)馬氏體相變行獲得理想的力學(xué)性質(zhì)。

NiTi形狀記憶合金因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，如驅(qū)動(dòng)器、傳感器、血管支架、微創(chuàng)治療器械等。馬氏體相變是形狀記憶合金獨(dú)特力學(xué)性質(zhì)的物理基礎(chǔ)，因此馬氏體相變的特征決定了形狀記憶合金的服役性能。

近年來(lái)，人們進(jìn)行了大量的探索以期通過(guò)調(diào)控馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程來(lái)提高形狀記憶合金的力學(xué)性質(zhì)，如通過(guò)納米尺度成分波動(dòng)和預(yù)加載控制馬氏體的形核和長(zhǎng)大、引入結(jié)構(gòu)性缺陷實(shí)現(xiàn)將馬氏體相變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變玻璃相變、利用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中的錯(cuò)配應(yīng)力控制馬氏體相變過(guò)程、通過(guò)調(diào)節(jié)成分實(shí)現(xiàn)連續(xù)馬氏體相變等。其中利用沉淀相調(diào)節(jié)馬氏體相變是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效的方法，如NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相的出現(xiàn)會(huì)對(duì)馬氏體相變的類型、相變溫度、相變路徑等產(chǎn)生顯著的影響。這是因?yàn)镹i4Ti3沉淀相不僅在周圍基體中引起成分非均勻，還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，并且沉淀相顆粒間距較小時(shí)還會(huì)對(duì)馬氏體相變產(chǎn)生空間限制，這些因素都可能導(dǎo)致馬氏體相變行為的復(fù)雜化。盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)了Ni4Ti3沉淀相對(duì)馬氏體相變的影響，但是關(guān)于成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)哪個(gè)因素占主導(dǎo)作用的爭(zhēng)論仍懸而未決。此外成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)共同作用下馬氏體相變?nèi)绾伟l(fā)生，相鄰沉淀相顆粒間內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的耦合對(duì)馬氏體相變有什么影響也并不清楚。

為此，山東大學(xué)朱家明教授，香港理工大學(xué)石三強(qiáng)教授和俄亥俄州立大學(xué)王云志教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)的研究了NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相對(duì)B2 ?R馬氏體相變的影響。基于相場(chǎng)模型的三維計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)了Ni4Ti3沉淀相及其引起的成分非均勻場(chǎng)的演化過(guò)程如圖1所示，揭示了成分非均勻與內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)共同作用下的馬氏體相變過(guò)程如圖2所示。對(duì)相變驅(qū)動(dòng)力的定量分析（見(jiàn)圖3（a））表明成分非均勻主導(dǎo)了馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)變體選擇決定了馬氏體疇結(jié)構(gòu)。該研究還揭示了實(shí)效時(shí)間、初始成分、及相鄰沉淀相顆粒不同位向關(guān)系對(duì)馬氏體相變的影響（見(jiàn)圖3（b）-（c））。發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)控制時(shí)效的溫度、時(shí)間和施加外載來(lái)調(diào)節(jié)沉淀相在基體中導(dǎo)致的成分分布和內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，將一級(jí)馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)楸碛^連續(xù)相變的同時(shí)完成變體選擇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Invar效應(yīng)以及其他多種應(yīng)用。該工作以“Influence of Ni4Ti3 precipitation on martensitic transformations in NiTi shape memory alloy: R phase transformation”為題在金屬材料頂級(jí)期刊《Acta Materialia》發(fā)表。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421000458

圖1. Ni4Ti3沉淀相長(zhǎng)大過(guò)程中成分非均勻場(chǎng)的演化。（a） 為Ni4Ti3 沉淀相的三維視圖。 （b）-（h） 沉淀相周圍Ni元素濃度場(chǎng)演化過(guò)程的二維截面圖，該截面貫穿圖（a）所示的Ni4Ti3沉淀相顆粒且平行于圖片晶面。

圖2. 成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)作用下B2→R馬氏體相變過(guò)程。 （a）和（c）分別是 （g1）-（g8）和 （h1）-（h8）的視角坐標(biāo)。 （b） 和 （d） 顯示了內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)R馬氏體相的變體選擇。 （g1）-（g8） 和 （h1）-（h8） 展示了降溫情況下馬氏體相變過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)演化。不同的顏色代表不同的馬氏體變體和沉淀相，如（e）所示。

圖3. （a） 沉淀相附近的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力和內(nèi)應(yīng)力貢獻(xiàn)的相變驅(qū)動(dòng)力比較圖。（b）不同時(shí)效時(shí)間和（c）不同初始成分對(duì)馬氏體相變動(dòng)力學(xué)的影響。