山东大学《Scripta Mater》：形状记忆合金的反常应力应变行为！

2021-09-08 16:00:07 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

近等原子的NiTi形状记忆合金在B2结构的奥氏体（A）和B19‘马氏体（M）之间发生热弹性转变，产生形状记忆和超弹性效应，这种特性在实际应用中得到广泛应用。除了独特的功能特性外，NiTi合金的塑性变形机制引起了越来越多的关注，因为伴随马氏体转变（MT）的塑性变形是NiTi合金功能退化的主要原因之一。因此，了解这些塑性活动的机理是提高NiTi合金功能稳定性的关键步骤。

NiTi中伴随MT的塑性变形起源已有实验和模拟进行研究，但是应力诱导MT过程中NiTi合金塑性变形的机理仍然不明确，主要是由于该过程的复杂性，包括相变、位错滑移、马氏体孪晶迁移和形成孪生等。此外，NiTi的变形行为对许多其他因素敏感，例如：晶体取向和织构、夹杂物、晶粒尺寸等，已有研究表明非常规变形行为的实验工作可能有助于理解NiTi合金的塑性变形，所以针对NiTi合金研究超弹性变形到塑性变形的转变很有必要。

来自山东大学的研究人员观察了NiTi合金在接近超弹性窗口边界时的超弹性行为，以研究从超弹性变形到塑性变形的转变，证实了缺陷在转变过程中的作用。相关论文以题为“Anomalous stress-strain behavior of NiTi shape memory alloy close to the border of superelastic window”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

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

研究发现合金超弹性应力应变曲线的两个连续循环中，应力诱导马氏体转变（SIMT）在第二个循环中的临界应力低于第一个循环，但仅仅是低于第一个循环中达到的最大应变值，一旦应变超过第一个循环的极限值，临界应力就会回到原始水平。在第二个循环后观察到不可恢复应变少量增加（约0.5%）。观察到异常的应力应变行为，第二次循环的平台应力高于第一次循环的平台应力，这与传统的超弹性行为不同。

与823K退火样品的行为相反，当应变超过第一个循环的极限时，平台应力下降到第一个循环的原始水平。因此在第二个循环中，违反预期的自然顺序，变形首先在高应力下进行，然后在显着较低的应力下进行；第一个循环显示出良好的超弹性，但第二个循环可恢复应变范围缩小。在第一个循环中可逆（超弹性）的应变（4.3%）在第二个循环中变得不可逆。高达25%应变的加载-卸载循环，表明这些不寻常的特征在连续循环中持续存在，直到应变变为纯塑性。

图1 （a）823K和（b）873K退火后合金的应力应变曲线

图2 合金的冷拉加卸载应力应变曲线和电阻曲线

图3 合金在873K退火后的EBSD取向图和TEM图

变形样品中MT的两个步骤应该与遭受SIMT且未变形的材料部分相关。主要观察的是MT的第二步，与遭受SIMT的样本部分相关，转移到较低的温度。远低于超弹性范围时，缺陷通过它们的应力场帮助进行连续的转换；对于接近超弹性范围极限的应力诱导MT，所产生的缺陷强烈阻碍了连续的MT。接近超弹性范围边界时塑性变形的作用发生变化，导致从传统的超弹性转变为具有某些反常规特征的异常应力应变行为。