馬氏體轉變是一種無擴散的固-固結構轉變，通過母相的成核和隨后的產物相生長而進行，它賦予了形狀記憶材料在受到特定外部刺激時的特殊形狀恢復能力，適用于各種基于驅動的應用。通常，在施加/釋放單軸載荷時，利用應力誘導的正/反馬氏體轉變（即超彈性）可獲得較大的可恢復應變。此外，應力誘導的馬氏體轉變還可通過吸收和釋放潛熱產生明顯的彈性熱效應。這種固態制冷技術已成為一種環境友好型節能技術，可替代具有較高全球變暖潛能值的傳統蒸汽壓縮制冷技術。用于彈性冷卻系統的合適候選材料是形狀記憶合金（如鎳鈦合金和銅鋁錳合金），因為它們具有巨大的彈性響應，可通過等溫條件下的應力誘導熵變化（ΔSiso）或絕熱條件下的溫度變化（ΔTad）來量化，并且具有良好的熱傳導能力。形狀記憶合金利用應力誘導馬氏體轉變產生的潛熱來實現彈性效應，適用于固態制冷技術，可替代傳統的蒸汽壓縮制冷技術。

來自東北大學的學者通過定向凝固法生產的具有 <001>A 優選取向的多晶Ni27Cu21Mn46Sn6 形狀記憶合金的應力誘導馬氏體轉變結晶學和彈性熱效應。通過進行原位電子反向散射衍射（EBSD）測量，證明了在壓縮載荷的誘導下從奧氏體向 6 M 馬氏體單一變體的轉變，兩種相之間存在{1 0 1}A//{1-2-6}M和<1 0 - 1>A//<-6-6 1>M的特定轉變取向關系。此外，由于在凝固過程中通過操縱晶格體積變化實現的跨相變和溫度梯度效應促進的微觀組織紋理化所產生的巨大轉化熵變化的協同效應，本合金可表現出非常顯著的彈性熱效應，在釋放 460 兆帕的中等壓縮載荷時，絕熱溫度變化值極高，可達-31.8 K。

這項研究有望深入揭示應力誘導的馬氏體轉變結晶學，并為設計高性能彈性材料提供一些啟發。相關工作以題為“Crystallography of Stress-induced martensitic transformation and giant elastocaloric effect in a <001>A textured Ni27Cu21Mn46Sn6 shape memory alloy”的研究性文章發表在Acta Materialia 。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119546

本研究通過定向凝固合成了一種多晶Ni27Cu21Mn46Sn6合金，由沿凝固方向（SD）排列的<0 0 1>A取向柱狀晶粒組成。這種構造不僅可以緩解晶界對晶格變形的內部約束，還有助于改善機械性能和降低臨界應力（σcr），從而推動馬氏體轉變。晶體結構和量熱分析表明，本合金在室溫以下溫度范圍內由立方奧氏體向單斜六層調制（6 M）馬氏體發生馬氏體轉變的同時，由于ΔV/V0 為 1.80 %，ΔStr 大至 55.0 Jkg-1K-1。通過對壓縮應力誘導的微觀結構進行原位電子反向散射衍射（EBSD）繪圖，在局部區域發現了應力誘導轉變形成的 6 M 馬氏體的單一變體。根據詳細的晶體學分析，兩種相之間的特定 OR 被解析為 {1 0 1}A//{1 -2 -6}M和 <1 0 -1>A//<-6 -6 1>M。這種轉變 OR 也被用來預測與取向相關的轉變應變。此外，在釋放 460 兆帕的適度壓縮載荷后，由于ΔStr 的增強和微觀結構的高度紋理化，實現了高達 31.8 K 的極高|ΔTad|，遠遠超過了基于 Ni-Mn-X 的合金所實現的|ΔTad|。

圖 1. (a) 電弧熔化 Ni48-xCuxMn46Sn6（x = 0、7、14 和 21）合金的 DSC 曲線演示。(b)隨銅含量變化的馬氏體轉變溫度（Ms、Mf、As 和 Af）。

圖 2. (a) 電弧熔化和定向凝固 Ni27Cu21Mn46Sn6合金的 DSC 曲線。(b) 定向凝固的 Ni27Cu21Mn46Sn6 合金在 3 T 磁場下磁化的溫度依賴性。

圖 3. 使用粉末樣品在 298 K 和 100 K 條件下測量的定向凝固Ni27Cu21Mn46Sn6 合金的 XRD 圖譜。

圖 4. (a) 定向凝固的 Ni27Cu21Mn46Sn6合金的室溫 EBSD 方向圖（IPF 對比）。插圖中顯示了相應的 IPF 圖例。(b) 根據 EBSD 測量結果繪制的 SD 逆極圖。

圖 5. (a) 在室溫（300 K）下測量的電弧熔化和定向凝固Ni27Cu21Mn46Sn6 合金在壓縮條件下的斷裂應力-應變曲線； (b) 在室溫下測量的定向凝固 Ni27Cu21Mn46Sn6 合金在壓縮條件下的超彈性響應。

圖 6. (a) 定向凝固的 Ni27Cu21Mn46Sn6合金在沿 SD 施加 5%壓縮應變時，奧氏體和應力誘導的 6 M 馬氏體共存的原位 EBSD 圖。(b) 奧氏體和應力誘發的 6 M 馬氏體與 SD 的反極值圖。

圖 7. 根據 EBSD 測量確定的結晶取向計算的奧氏體和應力誘導的 6 M 馬氏體之間各種假定 OR 下的特征結晶平面和方向的極值圖。(a) {1 0 1}A // {2 0 0}M 和 <1 0 -1>A // <0 0 1>M. (b) {1 0 1}A// {0 0 12}M 和 <1 0 -1>A // <1 0 0>M. (c) {1 0 1}A // {1 -2 -6}M 和 <1 0 -1>A // <-6 -6 1>M. (d) {1 0 1}A // {1 -2 6}M 和 <1 0 -1>A// <6 6 1>M。

圖 8. 根據 Ni27Cu21Mn46Sn6合金兩相之間的 OR 預測的壓縮變形應變與方向有關的輪廓。

圖 9. (a) 在室溫（300 K）下測量的固定應變 8%、不同應變率下的壓縮應力-應變曲線。 (b) 固定壓縮應變 8%、不同應變率下的應力-溫度變化。(c) 在不同壓縮應變下，加載/卸載速率為 5.1 × 10-2 s-1 時的應力-應變曲線。(d) 在 5.1 × 10-2s-1 的恒定應變速率下，各種外部應變引起的應力-溫度變化。

圖 10. (a) 在室溫下以 0.3 s-1 的卸載速率去除各種壓縮應變時的應力引起的溫度變化。(b) 在不同測試溫度下消除 12% 壓縮應變時的溫度變化。

本研究清楚地證明了奧氏體與應力誘導的 6 M 馬氏體之間的有利轉變 OR，而且分析程序普遍適用于其他形狀記憶合金體系，可從晶體學角度深入了解其應力誘導的馬氏體轉變過程。本研究結果凸顯了晶格體積變化 ΔV/V0 在調節彈性特性方面的重要性，有望為形狀記憶合金中彈性效應的性能控制提供啟示。