materials today綜述：形狀記憶合金的相變條件與超相容性

【引言】

    近年來，具有合適晶粒尺寸相的超級相容性和有利的沉淀物陣列相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了功能和結(jié)構(gòu)抗疲勞性和形狀記憶合金的滯后性的降低。本文分析和比較這些例子，闡明這些因素的作用，及在更苛刻的應(yīng)力誘導(dǎo)相變的情況下，仍存在的問題。這些因素的控制有助于合金體系的開發(fā)。本文展現(xiàn)了改善形狀記憶合金的重要方法，以及新的可逆轉(zhuǎn)化多鐵性。

    【成果簡介】

    近日，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Richard D. James和德國基爾大學(xué)Eckhard Quandt（共同通訊）作者等人，列出了控制形狀記憶合金相變可逆性條件：晶體相容性，晶粒尺寸和沉淀。研究表明，如果滿足這三個(gè)條件，就可能獲得極好的抗功能疲勞性和低滯后性的合金。然而，其中一個(gè)或多個(gè)條件稍微欠缺，仍具有顯著的功能疲勞。相關(guān)成果以“Phase engineering and supercompatibility of shape memory alloys”為題發(fā)表在materials today上。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖 1 i-Ni-X-Y合金的滯后與λ2曲線圖

（a）Ti-Ni-X-Y合金的滯后與λ2曲線圖；（b）是（a）中λ2= 1附近的圖的放大圖。

    圖 2 馬氏體晶體學(xué)理論中輔助因子條件的含義

    （a）對于給定的雙系統(tǒng)，沒有晶體學(xué)理論的解決方案；（b）可逆馬氏體滿足的雙系統(tǒng)4種解決方案的一般情況；（c）情況λ2= 1，（d）滿足輔助因子條件的情況。

    圖 3 合金的立方-正交系統(tǒng)中的輔助因子條件

    合金分別為：Ti54.7Ni30.7Cu12.3Co2.3（λ2= 1.00083），TiNiCuPd（λ2= 1.00088），Ti50Ni40.75Pd9.25（λ2= 1.0002），Ti54Ni34Cu12（λ2= 0.9905），Ti79Nb21（λ2= 1）和Ti79Ta21（λ2= 1）。

    圖 4 施密德定律的最大應(yīng)變的極坐標(biāo)圖

    （a）馬氏體晶體學(xué)理論的經(jīng)典解釋；（b）輔因子條件下可能的熔液圖。

    圖 5 在1000萬次拉伸循環(huán)內(nèi)，Ti54.7Ni30.7Cu12.3Co2.3薄膜的高周疲勞圖

    圖 6 直徑為2 μm的Zn45Au30Cu25合金的循環(huán)壓縮圖

    圖 7 不同結(jié)晶條件下，Ti50.8Ni34.2Cu12.5Co2.5薄膜的疲勞曲線圖

   （a）在700℃下，結(jié)晶15 min的晶粒尺寸5 μm疲勞曲線圖；（b）在600℃下，結(jié)晶15 min的晶粒尺寸300 nm疲勞曲線圖。

    圖 8 富Ti的TiNiCu合金的第1、200和107次的超低疲勞曲線圖

    圖 9 Ti53.7Ni24.6Cu21.7薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與功能疲勞的關(guān)系圖

  （a）在700℃下，退火樣品的TEM圖像（插圖：B19相和沉淀物的放大圖）；（b）在550℃下，退火樣品的TEM圖像；（c）在700℃退火樣品的200次超彈性循環(huán)的功能疲勞圖；（d）在550℃退火的樣品的200次超彈性循環(huán)的功能疲勞圖。

    【小結(jié)】

    本文列出了形狀記憶合金相變可逆性條件：晶體相容性，晶粒尺寸和沉淀。研究表明，如果滿足這三個(gè)條件，就可能獲得極好的抗功能疲勞和低滯后性的合金。然而，其中一個(gè)或多個(gè)條件稍微欠缺，仍具有顯著的功能疲勞。但是熱處理對這幾個(gè)條件有很大影響。雖然這些規(guī)律符合在形狀記憶合金，但是這些條件主要是幾何或彈性支配（相容性條件，晶粒尺寸，析出物的相干性），因此預(yù)期它們應(yīng)適用于廣泛的相變。但是在鐵電或鐵磁相變中，存在鐵電/鐵磁疇仍需要進(jìn)一步研究。本文提出了一些特殊問題。在λ2= 1與完全輔因子條件在確定滯后和可逆性方面的相對作用。具有相同處理的類似合金的比較研究，一個(gè)滿足高精度λ2= 1但遠(yuǎn)不滿足CCI = 0或CCII = 0，另一個(gè)滿足完整輔因子條件，將是有啟發(fā)性的。類似的比較研究也涉及粒度和沉淀物。雖然λ2對熱滯后的影響非常明顯，但是應(yīng)力滯后的因素尚不清楚。這些明顯小的滯后現(xiàn)象仍存在很大差異。相比之下，經(jīng)典Cu-Al-Ni形狀記憶合金中，β1→β1‘轉(zhuǎn)變具有非常大的應(yīng)變，約為10％，應(yīng)力滯后約為5 MPa，耐疲勞性較差。在抗功能疲勞性的合金中，是否產(chǎn)生如此小的應(yīng)力滯后效應(yīng)仍需要進(jìn)一步研究。

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