导读：本文研究了低温时效引起的纳米偏析对Ti-50.9 at.% Ni循环响应的影响。混合蒙特卡罗/分子动力学(MC/MD)模拟表明，在523 K时低温时效达到了最明显的纳米偏析。分子动力学模拟结果表明，在正反向转化过程中，由于钉住效应，Ni簇阻碍B2位错的推进，而B2位错的滑移活性优于NiTi的滑移活性，从而显著提高了对功能退化的抵抗能力。实验表明，在523 K下低温时效作用2 小时，由此产生了纳米偏析，这可以大大提高Ti-50.9 at纳米晶的超弹性稳定性。经过50次加载-卸载循环，低温时效试样的残余应变降低了50%，耗散能增加了200%。以上实验结果有利于采取纳米结晶和纳米偏析结合的方法，设计出具有高稳定性的NiTi形状记忆合金。

NiTi形状记忆合金(SMA)具有超弹性和形状记忆效应，在航空航天和生物医学领域受到了广泛关注。这些特殊的性能与立方奥氏体(B2)和单斜马氏体(B19′)之间的可逆马氏体转变(MT)有关。然而，在奥氏体-马氏体界面附近高局部应力引起的位错滑移不可避免地会增加NiTi的不可逆性，降低其耗散能。随着循环，功能退化不断累积，最终导致功能疲劳，极大程度上限制了NiTi的实际应用。目前抑制NiTi位错滑移的主要方法包括通过时效粗晶NiTi析出Ni4Ti3和通过剧烈塑性变形形成纳米晶。第二种方法中晶界强化对位错运动具有明显阻抗，能更有效地减弱NiTi的功能疲劳。下一步，本文讲研究是否存在其他位错抑制手段来进一步提高纳米晶NiTi的循环性能。

最新的高分辨率透射电镜(HRTEM)观察证实，在523 K低温时效(LTA)后，Ni50.8Ti49.2和Ni50.9Ti49.1基体中存在Ni原子的纳米偏析。由此产生了原子尺度应变波动，温度范围扩大时，内摩擦显著增加。Shamimi等提供了另一个实验证据来验证523 K低温时效后Ni50.8Ti49.2中的纳米偏析。当TEM样品沿B2方向倾斜时，选择区域电子衍射(SAED)模式中的扩散强度归因于Ni团簇的出现。伴随着化学波动和晶格畸变的纳米偏析将形成一个坚固的原子和能量结构，从而降低了高熵合金钢、铝合金和镁合金等弹塑性材料中的位错迁移率。然而，由于SMA中位错滑移与可逆MT之间复杂的相互作用，纳米偏析如何影响NiTi中的位错迁移率，以及纳米偏析是否提高了NiTi的功能稳定性也尚不清楚。

本文旨在通过原子模拟与实验相结合的方法揭示纳米偏析对镍钛循环响应的影响。首先，采用混合蒙特卡罗/分子动力学(MC/MD)方法，使得纳米偏析的发展与低温时效温度和持续时间的关系可视化。接着本文通过分子动力学模拟揭示了纳米偏析对NiTi的位错滑移和循环性能的影响。最后，通过力学循环实验验证了纳米偏析对纳米晶NiTi超弹性稳定性的增强作用。

同济大学林建平等教授相关研究以“Improved superelastic stability by nanosegregation via low-temperature aging in Ti-50.9 at.% Ni shape memory alloy”为题发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964622400085X?via%3Dihub

图1所示。MC/MD模拟预测了局部Ni浓度随LTA温度和持续时间的变化。偏析度用SD表示。Ni簇的面积分数、平均尺寸和平均间距分别为f、l和d。在一些图中，由于弱隔离，f、l和d的值缺失。

图2. (a)边缘位错和(b)螺旋位错的MD模拟设置。循环剪切的单晶NiTi的MD模拟结果包括(c) (011)[100]B2未时效的边缘位错，(d) (011)[100]B2 LTA后的边缘位错(通过MC/MD在523 K时效1600 ps实现)，(e) (011)[100]B2未时效的螺旋位错和(f) (011)[100]B2 LTA后的螺旋位错(通过MC/MD在523 K时效1600 ps实现)。循环剪应力-剪切应变曲线如图c1、d1、e1、f1所示。位错平均位移(DD)与剪切应变的关系为c2、d2、e2和f2。循环前滑移面位错线快照叠加的Ni浓度图(P0)和每个循环结束时(P1 ~ P5)由c3、d3、e3、f3表示。

图3 (a)纳米晶Ti-50.9 at的DSC曲线。% Ni样品。(b)纳米晶Ti-50.9 at的XRD谱图。LTA前(样品#1)和LTA后(样品#4)在523 K下加热2小时。(c)样品4的亮场图像。插图是标记晶粒的衍射图样。(d) Ti-50.8 at的HRTEM。在523 K下LTA后的% Ni显示Ni原子沿指定原子阵列的周期性排列表明存在Ni偏析。

图 4 . (a-d)纳米晶Ti-50.9 at的循环应力-应变曲线。% Ni样品。(e)残余应变()随循环的演化。(f)耗散能随循环的演化。

综上所述，本文采用混合蒙特卡罗/分子动力学(MC/MD)模拟预测，发现Ti-50.9 at的纳米偏析最强。523 K时效后，制成了Ti-50.9 at.% Ni ，700 K以上的时效后，合金的偏析不再明显。分子动力学模拟结果表明，NiTi(以{011}<100>B2体系为主)中在正反转变过程中均加大了位错，并且由于钉住效应的存在，分散的Ni簇的存在削弱了位错的迁移率，提高了对功能降解的抵抗能力。实验表明，低温时效产生的纳米偏析可以降低一半的Ti-50.9 at纳米晶的残余应变 (从3.30%降至1.70%)，降低三倍的饱和耗散能 (从1.7 MJ/m3降至5.2 MJ/m3)。经过50次加载-卸载循环，低温时效后的试样的残余应变降低了50%，耗散能增加了200%。以上实验结果促进了采用纳米结晶和纳米偏析的结合的方法，设计出具有优越弹性和稳定性的NiTi形状记忆合金。