materials today综述：形状记忆合金的相变条件与超相容性

【引言】

近年来，具有合适晶粒尺寸相的超级相容性和有利的沉淀物阵列相结合，实现了功能和结构抗疲劳性和形状记忆合金的滞后性的降低。本文分析和比较这些例子，阐明这些因素的作用，及在更苛刻的应力诱导相变的情况下，仍存在的问题。这些因素的控制有助于合金体系的开发。本文展现了改善形状记忆合金的重要方法，以及新的可逆转化多铁性。

【成果简介】

近日，美国明尼苏达大学的Richard D. James和德国基尔大学Eckhard Quandt（共同通讯）作者等人，列出了控制形状记忆合金相变可逆性条件：晶体相容性，晶粒尺寸和沉淀。研究表明，如果满足这三个条件，就可能获得极好的抗功能疲劳性和低滞后性的合金。然而，其中一个或多个条件稍微欠缺，仍具有显着的功能疲劳。相关成果以“Phase engineering and supercompatibility of shape memory alloys”为题发表在materials today上。

【图文导读】

图 1 i-Ni-X-Y合金的滞后与λ₂曲线图

（a）Ti-Ni-X-Y合金的滞后与λ₂曲线图；

（b）是（a）中λ₂= 1附近的图的放大图。

图 2 马氏体晶体学理论中辅助因子条件的含义

（a）对于给定的双系统，没有晶体学理论的解决方案；

（b）可逆马氏体满足的双系统4种解决方案的一般情况；

（c）情况λ₂= 1，（d）满足辅助因子条件的情况。

图 3 合金的立方-正交系统中的辅助因子条件

合金分别为：Ti_54.7Ni_30.7Cu_12.3Co_2.3（λ₂= 1.00083），TiNiCuPd（λ₂= 1.00088），Ti₅₀Ni_40.75Pd_9.25（λ₂= 1.0002），Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂（λ₂= 0.9905），Ti₇₉Nb₂₁（λ₂= 1）和Ti₇₉Ta₂₁（λ₂= 1）。

图 4 施密德定律的最大应变的极坐标图

（a）马氏体晶体学理论的经典解释；

（b）辅因子条件下可能的熔液图。

图 5 在1000万次拉伸循环内，Ti_54.7Ni_30.7Cu_12.3Co_2.3薄膜的高周疲劳图

图 6 直径为2 μm的Zn₄₅Au₃₀Cu₂₅合金的循环压缩图

图 7 不同结晶条件下，Ti_50.8Ni_34.2Cu_12.5Co_2.5薄膜的疲劳曲线图

（a）在700℃下，结晶15 min的晶粒尺寸5 μm疲劳曲线图；

（b）在600℃下，结晶15 min的晶粒尺寸300 nm疲劳曲线图。

图 8 富Ti的TiNiCu合金的第1、200和107次的超低疲劳曲线图

图 9 Ti_53.7Ni_24.6Cu_21.7薄膜的微观结构与功能疲劳的关系图

（a）在700℃下，退火样品的TEM图像(插图：B19相和沉淀物的放大图)；

（b）在550℃下，退火样品的TEM图像；

（c）在700℃退火样品的200次超弹性循环的功能疲劳图；

（d）在550℃退火的样品的200次超弹性循环的功能疲劳图。

【小结】

本文列出了形状记忆合金相变可逆性条件：晶体相容性，晶粒尺寸和沉淀。研究表明，如果满足这三个条件，就可能获得极好的抗功能疲劳和低滞后性的合金。然而，其中一个或多个条件稍微欠缺，仍具有显着的功能疲劳。但是热处理对这几个条件有很大影响。虽然这些规律符合在形状记忆合金，但是这些条件主要是几何或弹性支配（相容性条件，晶粒尺寸，析出物的相干性），因此预期它们应适用于广泛的相变。但是在铁电或铁磁相变中，存在铁电/铁磁畴仍需要进一步研究。本文提出了一些特殊问题。在λ₂= 1与完全辅因子条件在确定滞后和可逆性方面的相对作用。具有相同处理的类似合金的比较研究，一个满足高精度λ₂= 1但远不满足CCI = 0或CCII = 0，另一个满足完整辅因子条件，将是有启发性的。类似的比较研究也涉及粒度和沉淀物。虽然λ₂对热滞后的影响非常明显，但是应力滞后的因素尚不清楚。这些明显小的滞后现象仍存在很大差异。相比之下，经典Cu-Al-Ni形状记忆合金中，β1→β1'转变具有非常大的应变，约为10％，应力滞后约为5 MPa，耐疲劳性较差。在抗功能疲劳性的合金中，是否产生如此小的应力滞后效应仍需要进一步研究。

文献链接：Phase engineering and supercompatibility of shape memory alloys（materials today, 2018, DOI: 10.1016/j.mattod. 2017.10.002）。

本文由材料人金属编辑部张金洋编译整理。

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