Acta Mater.: 纳米晶Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金中稳定且良好的超弹性和弹性热效应
【引言】
形状记忆合金（SMA）的超弹性已在包括生物装置在内的领域获得实际应用。它是由应力诱发的马氏体转变（MT）和逆转变引起的。由于MT与潜热有关，因此当绝热地施加或去除应力时，应力诱导的MT导致试样温度升高或降低。这种行为通常被称为弹性热效应。最近，SMA中的弹性热效应引起了很多关注，因为它具有可用于新的制冷系统的高潜力。对于超弹性和弹性热效应，高抗疲劳性和良好的可加工性是实际应用的重要因素。
在许多SMA中，Ti-Ni SMA因其优异的机械性能和可加工性而得到最广泛的应用。有趣的是，由于与应激诱导的MT相关的高潜热，Ti-Ni SMA中的弹性热效应也很好。尽管已经进行了许多研究以改善Ti-Ni SMA的超弹性和疲劳性能，但它们的改进仍然是最具挑战性的主题。减小晶粒尺寸对改善机械性能是有效的。然而，它的疲劳特性并不令人满意。据推测，母体和马氏体相之间较差的晶格相容性将是疲劳性能不足的主要原因。
Ti-Ni SMA中有三种马氏体相。它们是R相，B19相和B19'相。尽管对于B2-B19'转变来说，超弹性应变是最大的，但对于大多数合金来说，B2相和B19'相之间的晶格相容性并不好。因此，通过反复B2-B19'转变，缺陷在试样中积累，导致疲劳性能不足。B2相和R相之间的晶格相容性较好，并且B2-R转变有优异的疲劳性能。然而，B2-R转化的转变应变和潜热很小，这限制了这种转化的使用。人们普遍认为，超弹性和疲劳特性是B2-B19转化的中间因素。对于B2-B19转变，考虑到通过引入细小显微组织和更好的疲劳性能来改善超弹性，可以在有B2-B19转变的合金中，通过引入细小显微组织来获得优异的超弹性。
【成果简介】
近日，大阪大学 Takashi Fukuda和上海交通大学金学军教授和肖飞老师(共同通讯作者)在Acta Mater. 上发表了一篇题为“Stable and large superelasticity and elastocaloric effect in nanocrystalline Ti-44Ni-5Cu-1Al (at%) alloy”的文章。研究了Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金在各种热机械处理中的超弹性行为和弹性热效应。热轧后在673K热处理5分钟，随后的冷轧，样品表现出优异的4.9％的超弹性应变，当最大拉应力为500MPa时，具有90MPa的小应力滞后。在绝热条件下去除500MPa的应力时，该样品还表现出温度降低17K的大弹性热效应。 在超过5000个机械循环中，观察到超弹性应变和弹性热效应没有明显的恶化。 在750MPa的拉伸应力下获得的最大超弹性应变为6.8％。 透射电子显微镜观察和拉伸应力下的原位X射线衍射分析表明，样品的平均晶粒尺寸约为40nm，并且显示出连续的B2-B19-B19'转变。
【图文导读】
图1 ：经过不同热机械处理（HR，CR，CR673，CR873）后以10K / min的速率测量的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的DSC冷却和加热曲线。
图2 ：不同热机械处理（HR，CR，CR673，CR873）后Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的电阻率的温度依赖性。
图3：不同热机械处理的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的马氏体转变温度和热滞后。
（a）不同热机械处理（HR，CR，CR673，CR873）后Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的马氏体转变温度（Ms，Mf，As和Af）；
（b）用（Af-Ms）来评估热滞后。
图4：冷却和加热过程中在不同测试温度下Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673样品的原位X射线衍射图。
（a）冷却；（b）加热。
图5： Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）HR样品的明场图和选区域衍射图。
（a）Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）HR样品的明场图像；
（b）、（c）、（d）分别取自标记为B，C和D区域的选区域衍射图。
图6：Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR样品的明场图像和相应的衍射图。箭头表示轧向。
图7：Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673样品的明场图像、选区衍射图、高分辨TEM图像和对应的快速傅立叶变换。
（a）Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673样品的明场图像和选区衍射图；
（b）、（c）、（d）和（b'）、（c'）、（d'）分别为对应于红色矩形区域的高分辨TEM图像和对应的快速傅立叶变换。
图8：Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR873样品的明场图像。
图9：不同热机械处理后Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的应力-应变曲线。
（a）在332K测试的HR样品；
（b）在335K测试的CR样品；
（c）在318K测试的CR673样品；
（d）在325K测试的CR873样品。图示了诱导马氏体转变的临界应力。
图10：用于诱导Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673样品马氏体转变的临界应力的温度依赖性。
图11：在加载和卸载过程中，Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金在不同拉伸应力下的原位X射线衍射图 。
a，a'：HR；b，b'： CR；c，c'：CR673；d，d'：CR873。
图12：不同试样的应力控制疲劳试验中的应力-应变曲线响应。
（a）在最大拉应力〜500MPa，318K下的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673试样；
（ b）在最大拉应力~580MPa，338K下的Ti-50.8Ni（at％）CR673试样。初始状态下这两个试样的最大可逆应变相互接近〜4.9％。
图13：作为不同阶段时间的函数，绝热温度变化ΔT。
（a）Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673试样在最大拉应力下〜500MPa下的第1，第1500和第5000次；
（b）Ti-50.8Ni（at％）CR673试样在最大拉应力~580MPa下的第1，第2和第10次。图示了由逆向马氏体转变引起的ΔT。
【小结】
本文系统地研究了经过热轧（HR），冷轧（CR），在673K下时效5分钟（CR673）后冷轧，在873K下时效5分钟（CR873）后冷轧的各种热机械处理的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的转变特性，微观组织，力学行为和原位结构演变。发现：
（1）HR和CR873试样具有微尺度晶粒，在加载过程中显示出应力诱导的典型一级B2-B19-B19'MT，但在卸载过程中它们是不可逆的；
（2）由于冷轧引入的致密缺陷和非晶相，在CR试样中部分地抑制了热应力诱导的MTs。CR试样显示出非线性超弹性；
（3）具有纳米级晶粒（~40nm）的CR673样品显示出弥散的B2-B19-B19'MT。在750MPa的拉伸应力下获得了具有相对低的σc（~260MPa）和应力滞后（~150MPa）的大可逆应变~6.8％；
（4）CR673试样在~500 MPa的拉伸应力下具有90 MPa小应力滞后的4.9％的稳定超弹性应变，和稳定的弹性热效应（ΔT~17.4K）。超过5000个机械循环后，超弹性和弹性热效应的恶化可忽略不计。在Ti-44Ni-5Cu-1Al CR673样品中获得了高能效值（η~11）。
本文由材料人编辑部金属材料学术组Sweet供稿，材料牛编辑整理。
欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。
材料人投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu 。
文章评论(0)