Acta Mater.：多尺度约束条件下，超弹性形状记忆合金NiTi单晶变形机制的原位三维表征

编辑部实习生 7年前 (2017-12-03) 3810浏览

【引言】

形状记忆合金 （Shape Memory Alloy ，简称SMA）是一种新型功能材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性特性超弹性。超弹性是记忆合金材料的主要特性之一，即形状记忆合金产生较大的变形，在外力撤除后能够回复到变形前的形状，且应力－应变关系呈现非线性特征。形状记忆合金是一种相变材料，通常存在奥氏体和马氏体相两种相。两种相态会随外部条件的影响而发生相互转变，按相变的发生原因可分为应力诱发相变和温度诱发相变。基于形状记忆合金特殊的力学性能，其在智能系统以及工程方面的应用也越来越深入和广泛。由于近些年研究人员对形状记忆合金所做的大量研究，其在应用中的难题逐步得到解决。

【成果简介】

近日，美国西北大学机械工程学院、科罗拉多矿业大学机械工程学院的Harshad M. Paranjape（通讯作者）与阿贡国家实验室、康奈尔大学及西伯利亚物理技术研究所研究员合作，在Acta Materialia发表了题为“In situ,3D characterization of deformation mechanics of a superelastic NiTi shape memory alloy single crystal under multiscale constraint ”的文章。通过利用原位三维非破坏性表征技术，远场高能X射线衍射显微镜（ff-HEDM），研究了超弹性NiTi单晶体中B2和B19，相变形和微观组织的演变，结合实验数据，建立微观结构模型，模拟了样本的局部应力状态。这种3D实验-模型相结合的方法对研究约束对非弹性变形的影响提供了新的思路。

【图文导读】

图1.样品几何形状及微观结构模拟的曲面细分方案

（a）虚线矩形表示的拉伸样品的标距，实线矩形表示模拟的区域。

（b）模拟过程中的网格分布，插图表示标距内的网格密度。

（c）维诺划分(Voronoi tessellation)代表B2晶粒。

（d）每个B2晶粒中的孪生B19’单元，蓝色代表B2，标距部分的网格划分见插图。

（e）标距部分切面显示了模型化的夹杂物排布。夹杂物以灰色显示。 插图显示了样品中夹杂物分布的SEM显微照片。

图2.应力-应变分布及相应的物相变化

（a）宏观的轴向应力-应变曲线， ff-HEDM在红点标记的①至⑭进行测量。

（b）①，⑨和⑭处的衍射曲线分布，衍射峰的位置对应于超弹性NiTi中四个常见的物相。

（c）DIC测量的轴向表面应变场的演变，平均值及标准差标注于每张图片上方。

图3.热效应和电子显微镜的观测结果

（a）样品两个位置处的差示扫描量热仪（DSC）曲线，显示出很宽的峰宽。

（b）扫描电子显微镜（SEM）图像显示出夹杂物（枝晶）的分布， 插图给出了单个断裂夹杂物的特写。

（c）传统的TEM亮场像显示了粗大的Ni4Ti3析出（由箭头示出）以及相应的选区电子衍射花样（插图），衍射花样是沿Ni4Ti3析出物的[100]菱方晶带轴拍摄得到的。

图4.微观结构模拟结果

（a）600MPa宏观应力下的轴向应力， B2小角度晶界用虚线表示。

（b）标距位置显示了800MPa宏应力下的局部应力分布； 插图显示了夹杂物周围的非均匀轴向应力， 夹杂物本身的应力分布没有显示。

（c）对应于（b）截面中的B19，微结构； 蓝色区域对应于B2，其他颜色对应于不同的B19，变体。

图5峰值载荷下的应变分析

（a）DIC在峰值载荷下测得的标距区域内的轴向总应变（εtotal）。

（b）根据DIC测量的总应变和ff-HEDM测量的B2和B19，中的晶格应变，计算得到峰值载荷下的相变应变分布，εtrans=εtotal-εlatticeB2- εlatticeB19，。

图6应力状态的模拟以及夹杂物周围B19'HPV分布的预测

（a）800MPa宏观应力下轴向应力的分布。

（b）基于功最大准则，每点处特定惯习面变体（HPV）的理论轴向相变应变。

【小结】

NiTi形状记忆合金中析出、相界、晶界和夹杂物等是多尺度约束的来源，会影响形状记忆合金的力学响应。文章采用3D原位技术，对超弹性NiTi单晶在拉伸测试中进行微观结构变形和演变的表征，并通过远场高能X射线衍射显微镜观察，结合微观结构、变形、应力数据进行局部应力状态的模拟，加深了约束对非弹性变形影响的理解。文章中提出的3D实验-模型相结合的方法，还可以用于研究其他非弹性变形材料（如钛合金、钢和镁合金等）中约束对其变形的影响。

文献链接：In situ,3D characterization of deformation mechanics of a superelastic NiTi shape memory alloy single crystal under multiscale constraint（Acta Mater.，2017，DOI：10.1016/j.actamat.2017.11.026）

本文由材料人编辑部张润凯编译， 万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。 

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