导读：Ni4Ti3沉淀相对NiTi形状记忆合金中的马氏体相变具有重要的影响。但目前其中的一些基本问题仍悬而未决。利用基于相场法的计算机模拟，本文研究了Ni4Ti3沉淀相析出过程中的微观组织演化及其对B2→R 马氏体相变的影响，系统研究了Ni4Ti3沉淀相引起的成分非均匀和内应力场对马氏体相变的耦合作用。发现伴随Ni4Ti3沉淀相的成分非均匀能够明显改变局域的马氏体相变起始温度进而对全域的马氏体相变动力学产生显著影响，而Ni4Ti3沉淀相引起的内应力场能够通过变体选择决定马氏体畴的孪晶结构。因此，有望通过设计沉淀相形成的微观结构开发Invar合金。该研究为理解沉淀相调控马氏体相变的机理提供了基础，能够为材料的热机械处理提供指导，通过设计马氏体相变行获得理想的力学性质。

NiTi形状记忆合金因其独特的形状记忆效应和超弹性被广泛应用于航空航天、工业生产、生物医疗等多个领域，如驱动器、传感器、血管支架、微创治疗器械等。马氏体相变是形状记忆合金独特力学性质的物理基础，因此马氏体相变的特征决定了形状记忆合金的服役性能。

近年来，人们进行了大量的探索以期通过调控马氏体相变的动力学过程来提高形状记忆合金的力学性质，如通过纳米尺度成分波动和预加载控制马氏体的形核和长大、引入结构性缺陷实现将马氏体相变转化为应变玻璃相变、利用纳米复合结构中的错配应力控制马氏体相变过程、通过调节成分实现连续马氏体相变等。其中利用沉淀相调节马氏体相变是一种简单、经济、有效的方法，如NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相的出现会对马氏体相变的类型、相变温度、相变路径等产生显著的影响。这是因为Ni4Ti3沉淀相不仅在周围基体中引起成分非均匀，还会导致内应力场，并且沉淀相颗粒间距较小时还会对马氏体相变产生空间限制，这些因素都可能导致马氏体相变行为的复杂化。尽管人们很早就发现了Ni4Ti3沉淀相对马氏体相变的影响，但是关于成分非均匀和内应力场哪个因素占主导作用的争论仍悬而未决。此外成分非均匀和内应力场共同作用下马氏体相变如何发生，相邻沉淀相颗粒间内应力场的耦合对马氏体相变有什么影响也并不清楚。

为此，山东大学朱家明教授，香港理工大学石三强教授和俄亥俄州立大学王云志教授团队系统的研究了NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相对B2 ?R马氏体相变的影响。基于相场模型的三维计算机模拟再现了Ni4Ti3沉淀相及其引起的成分非均匀场的演化过程如图1所示，揭示了成分非均匀与内应力场共同作用下的马氏体相变过程如图2所示。对相变驱动力的定量分析（见图3（a））表明成分非均匀主导了马氏体相变的动力学过程，而内应力场通过变体选择决定了马氏体畴结构。该研究还揭示了实效时间、初始成分、及相邻沉淀相颗粒不同位向关系对马氏体相变的影响（见图3（b）-（c））。发现可以通过控制时效的温度、时间和施加外载来调节沉淀相在基体中导致的成分分布和内应力场，将一级马氏体相变转变为表观连续相变的同时完成变体选择，进而实现Invar效应以及其他多种应用。该工作以“Influence of Ni4Ti3 precipitation on martensitic transformations in NiTi shape memory alloy: R phase transformation”为题在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》发表。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421000458

图1. Ni4Ti3沉淀相长大过程中成分非均匀场的演化。（a） 为Ni4Ti3 沉淀相的三维视图。 （b）-（h） 沉淀相周围Ni元素浓度场演化过程的二维截面图，该截面贯穿图（a）所示的Ni4Ti3沉淀相颗粒且平行于图片晶面。

图2. 成分非均匀和内应力场作用下B2→R马氏体相变过程。 （a）和（c）分别是 （g1）-（g8）和 （h1）-（h8）的视角坐标。 （b） 和 （d） 显示了内应力场对R马氏体相的变体选择。 （g1）-（g8） 和 （h1）-（h8） 展示了降温情况下马氏体相变过程中的微结构演化。不同的颜色代表不同的马氏体变体和沉淀相，如（e）所示。

图3. （a） 沉淀相附近的化学驱动力和内应力贡献的相变驱动力比较图。（b）不同时效时间和（c）不同初始成分对马氏体相变动力学的影响。