形狀記憶合金（shape-memory alloy）具有形狀記憶效應(yīng)，在低溫時(shí)發(fā)生的形變會(huì)在高溫時(shí)恢復(fù)而變成原始狀態(tài)（或接近原始的狀態(tài)）。這一特性使得其在航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，低溫下壓縮形狀記憶合金設(shè)備可以減少航天器運(yùn)載時(shí)所需的空間，到達(dá)目的地后，在高溫下恢復(fù)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(shù)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(xiàn)為比一般金屬大的多的形變恢復(fù)力。這一特性使得它在醫(yī)療器械、建筑減震以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)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(zhì)形狀記憶合金還未見報(bào)道。近日，日本東北大學(xué)的Daisuke Ando和Yuji Sutou等人發(fā)現(xiàn)Mg-Sc原子比在4:1左右時(shí)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(yuǎn)小于已有材料。這種輕質(zhì)鎂鈧形狀記憶合金在對重量控制嚴(yán)苛的領(lǐng)域（諸如航空航天）存在著巨大的應(yīng)用潛力，相關(guān)工作發(fā)表在《Science》上。

    作者通過X射線衍射（XRD）發(fā)現(xiàn)， 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(jié)構(gòu)（bcc）（圖二A黑線），同時(shí)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(xiàn)了新的衍射峰（圖二A紅線），這種應(yīng)力誘導(dǎo)的新相產(chǎn)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(shí)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?zhí)幚恚t色）和拉伸斷裂后（藍(lán)色）的X射線衍射結(jié)果。β相為bcc結(jié)構(gòu)，α相為hcp結(jié)構(gòu)。

    進(jìn)一步的，作者在不同溫度下對樣品進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變測試，如圖三A到D所示，應(yīng)力應(yīng)變測試選擇了20 ℃、-50 ℃、-100 ℃和-150 ℃四個(gè)溫度，按1%、2%、3%、4%的拉伸應(yīng)變先后拉伸樣品并卸力，觀察樣品在受力后的恢復(fù)情況。從結(jié)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(shí)，樣品可以在卸力后恢復(fù)原始的形狀，表現(xiàn)出了超彈性。經(jīng)過測試，在拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，樣品仍然具有一定的恢復(fù)能力（圖三E）。樣品的最大超彈性應(yīng)變達(dá)到了4.4%，與多數(shù)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(shí)的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

   作者還在不同溫度下研究了樣品的超彈性，發(fā)現(xiàn)樣品只有在低于-120 ℃到-100 ℃區(qū)間內(nèi)的某個(gè)溫度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)超彈性，由應(yīng)力可以引發(fā)馬氏體相的出現(xiàn)。而高于這個(gè)溫度時(shí)，樣品在受力時(shí)則表現(xiàn)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(yīng)力誘導(dǎo)，還可以通過溫度誘導(dǎo)。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(xiàn)。

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

    總結(jié)一下，Mg–20.5 at % Sc合金在-150 ℃時(shí)表現(xiàn)出了超彈性，其最大超彈性應(yīng)變達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于之前所發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金（圖五）。正因?yàn)槿绱耍M管這類鎂鈧合金材料的價(jià)格昂貴，它們?nèi)匀挥型麘?yīng)用于航空航天等對重量要求較高的領(lǐng)域上。

    圖五，形狀記憶合金的比重和最大超彈性應(yīng)變的關(guān)系圖。

    形狀記憶合金在馬氏體下可以產(chǎn)生塑性形變而保留變形，當(dāng)升高至合適溫度時(shí)，馬氏體會(huì)向母相轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系，經(jīng)逆轉(zhuǎn)變而得到的母相將完全恢復(fù)原有形狀。

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