Science最新重磅：轻量级形状记忆镁合金

形状记忆合金（SMA）材料：加热后能恢复形状，并具有超弹性。SMA材料可恢复超过2%的应变，因此应用于各种工业，如手机天线，镜框、耦合设备，紧固件，医疗器械，地震阻尼器等。此外，因为其拥有自展开和减震的特性，航天材料最近也着眼于SMA材料的应用。

形状记忆合金（SMAs）在高温状态下能够恢复形状和超弹性，这种独特的行为曾在除镁合金以外的多种合金中观察到。日本东北大学工程研究院的Yukiko Ogawa等人选用Mg合金，在–150°C下产生了4.4%的塑性变形量，经加热后能恢复形状。这种镁合金含轻量级钪，其密度大约是2g/cm³。这一发现激发了许多企业对轻量级SMA材料的开发潜能。轻量级SMA材料对航天事业的应用有着显著的价值，因为重量的减轻能极大的提高火箭和宇宙飞船的燃料效率。

图文导读：

图一：室温下Mg–20.5at% Sc试样的XRD衍射图样。

（A）分别为试样在690℃下热处理0.5h（黑色），试样热处理后进行冷轧（红色），以及试样在150℃下拉伸断裂（蓝色）等处理后在室温下的XRD衍射图样。X射线强度用对数显示。α阶段和β阶段分别为hcp和bcc结构。“M”标记的峰值表示压力诱导阶段。

（B）β阶段的粉末XRD衍射图样。

（C）α阶段的粉末XRD衍射图样。

这些衍射图样是在各相晶格参数基础上测定的。

图二： Mg–20.5at% Sc试样在690℃热处理0.5h，循环拉伸应力-应变曲线。

（A-D）试样的应力-应变曲线：（A）20°C，d/t=0.67，（B）–50°C，d/t=0.50a，（C）–100°C，d/t=0.42，（D）–150°C，d/t=0.46。试样最初加载至1%（灰线），然后在第二阶段加载至2%（紫线），随后在第三阶段加载至3%（蓝线），最后加载至4%（亮蓝线）。拉伸方向平行于轧制方向。

（E）在–150°C，d/t = 0.66下试样的应力-应变曲线。拉伸方向平行于轧制方向，拉伸应变为8%，各阶段分别为灰线，紫线，蓝线，浅蓝线，绿线，黄线，橙线和红线。

（F）超弹性应变ɛ_SE满足ɛ_t–ɛ_e函数关系。最大弹性应变为4.4%。

图三：Mg-20.5at% Sc试样在690°C热处理0.5h，屈服应力和超弹性应变对温度的变化曲线。

（A）屈服应力（σ_y）作为温度的函数。

（B）超弹性应变（ε^j=3_SE）作为温度的函数。σ_y和ε^j=3_SE的定义在图S4中给出。黄色和黑色的圆圈分别指示试样拉伸方向沿轧制方向（RD）和横向（TD）。（A）中红色和蓝色虚线分别表示滑移临界应力和诱导马氏体相变的临界应力。红色阴影区域表示塑性变形区，蓝色区域表示超弹性区。黑色点划线表示超弹性临界温度。

图四：多晶SMA材料具体的质量与最大超弹性应变之间的关系。

为了对比当前的Mg基SMA材料（红线），我们选择TiNi基（蓝线），β-Ti基（绿线），Cu基（橘线），Fe基（灰线），以及Ni基和Co基（粉线）多晶SMA材料。材料实际质量定义为：材料密度(g/cm³)与水密度(1 g/cm³)之比。

【结论】

β-Mg-Sc合金表现出大的超弹性和可恢复应变（4.4%）。目前β-Mg-Sc超弹性合金比重为2，并且它的超弹性应变能与β-Ti基SMA材料相媲美。这种轻量级Mg-Sc SMA材料对于航空航天应用影响巨大。航空航天组件的减重很大程度的提升了火箭和宇宙飞船燃料效率。β-Mg–20.5at% Sc是一种低温超弹性合金，虽然比传统SMA材料更昂贵，这给直接应用带来困扰，但可作为轻量级的SMA材料发展的基础。该项成果为发现轻量级功能材料的研究提供了新的视角。

文献链接：A lightweight shape-memory magnesium alloy（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf6524）

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