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山東大學(xué)《Scripta Mater》：形狀記憶合金的反常應(yīng)力應(yīng)變行為！

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

近等原子的NiTi形狀記憶合金在B2結(jié)構(gòu)的奧氏體（A）和B19‘馬氏體（M）之間發(fā)生熱彈性轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生形狀記憶和超彈性效應(yīng)，這種特性在實際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)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(guān)注，因為伴隨馬氏體轉(zhuǎn)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(wěn)定性的關(guān)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(yīng)力誘導(dǎo)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(fù)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(gòu)、夾雜物、晶粒尺寸等，已有研究表明非常規(guī)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(zhuǎn)變很有必要。

來自山東大學(xué)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(zhuǎn)變，證實了缺陷在轉(zhuǎn)變過程中的作用。相關(guān)論文以題為“Anomalous stress-strain behavior of NiTi shape memory alloy close to the border of superelastic window”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

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

研究發(fā)現(xiàn)合金超彈性應(yīng)力應(yīng)變曲線的兩個連續(xù)循環(huán)中，應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變（SIMT）在第二個循環(huán)中的臨界應(yīng)力低于第一個循環(huán)，但僅僅是低于第一個循環(huán)中達到的最大應(yīng)變值，一旦應(yīng)變超過第一個循環(huán)的極限值，臨界應(yīng)力就會回到原始水平。在第二個循環(huán)后觀察到不可恢復(fù)應(yīng)變少量增加（約0.5%）。觀察到異常的應(yīng)力應(yīng)變行為，第二次循環(huán)的平臺應(yīng)力高于第一次循環(huán)的平臺應(yīng)力，這與傳統(tǒng)的超彈性行為不同。

與823K退火樣品的行為相反，當(dāng)應(yīng)變超過第一個循環(huán)的極限時，平臺應(yīng)力下降到第一個循環(huán)的原始水平。因此在第二個循環(huán)中，違反預(yù)期的自然順序，變形首先在高應(yīng)力下進行，然后在顯著較低的應(yīng)力下進行；第一個循環(huán)顯示出良好的超彈性，但第二個循環(huán)可恢復(fù)應(yīng)變范圍縮小。在第一個循環(huán)中可逆（超彈性）的應(yīng)變（4.3%）在第二個循環(huán)中變得不可逆。高達25%應(yīng)變的加載-卸載循環(huán)，表明這些不尋常的特征在連續(xù)循環(huán)中持續(xù)存在，直到應(yīng)變變?yōu)榧兯苄浴?/span>

圖1 （a）823K和（b）873K退火后合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 合金的冷拉加卸載應(yīng)力應(yīng)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(yīng)該與遭受SIMT且未變形的材料部分相關(guān)。主要觀察的是MT的第二步，與遭受SIMT的樣本部分相關(guān)，轉(zhuǎn)移到較低的溫度。遠低于超彈性范圍時，缺陷通過它們的應(yīng)力場幫助進行連續(xù)的轉(zhuǎn)換；對于接近超彈性范圍極限的應(yīng)力誘導(dǎo)MT，所產(chǎn)生的缺陷強烈阻礙了連續(xù)的MT。接近超彈性范圍邊界時塑性變形的作用發(fā)生變化，導(dǎo)致從傳統(tǒng)的超彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心承┓闯Ｒ?guī)特征的異常應(yīng)力應(yīng)變行為。