Acta Mater：Zr50Cu50形状记忆合金在变形过程中的马氏体显微组织演变

【引言】

高温形状记忆合金（HTSMA）作为一种驱动材料，可以简化机械零件的操作程序，提高设备的执行效率，已被广泛应用于航空、航天、机械、能源、电子、生物医学以及日常生活等领域。与目前常用的TiNi 基合金等材料相比，ZrCu基合金具有较高的马氏体转变温度、优良的高温铸造流动性能和非晶形成能力，是一种比较具有潜力的高温形状记忆合金。然而，到现在为止研究者们大多偏向于研究提高材料的非晶形成能力和力学性能等方面，对 ZrCu 基合金中的马氏体组织演变的变形机制研究较少。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学的孟祥龙教授（通讯作者）在Acta Mater. 上发表了题为“Microstructural evolution of martensite during deformation in Zr50Cu50 shape memory alloy”的文章，系统地研究Zr₅₀Cu₅₀形状记忆合金中形变马氏体的显微组织演变和变形机制。作者的研究小组在不同的变形阶段观察到了明显不同的马氏体变形机制。在变形开始阶段，主要的变形机制呈现为(001)复合孪晶的去孪生化；随着压缩变形量的增大，去孪生化的区域扩展，但是并未完全完成去孪生化；在较高的应变水平下，应力诱发1/10局部位错形成许多纳米级的(021)和(201(-))形变孪晶，这被认为是主要的变形机制，因为交叉的(021)和(201(-))形变孪晶所造成的不可回复的应变限制了加热过程中马氏体的移动。

【图文导读】

图1. 不同预应变下Zr₅₀Cu₅₀合金的压缩应力应变曲线以及在随后的加热（A_f点以上）过程中的回复曲线

(a) 断裂应力应变曲线；     (b) 2%的预应变；

(c) 4%的预应变；                (d) 5%的预应变；

(e) 6%的预应变；                (f) 8%的预应变；

说明：图中红色线代表加热后从形状记忆效应开始的回复应变；带箭头的黑线代表卸载后的塑性回复应变。

图2. 未变形的Zr₅₀Cu₅₀合金中马氏体的明场像和选取电子衍射花样

(a) 自协作变体的形态及对应的选取电子衍射花样；

(b) 变体的亚结构及对应的选取电子衍射花样；

图3. 2%的变形度下Zr₅₀Cu₅₀合金中马氏体的明场像和选取电子衍射花样

(a,b) 2%的变形度下Zr₅₀Cu₅₀合金中马氏体的明场像；

(c) 收缩的马氏体板条的形态；

(d) 图(b)中马氏体变体的选取电子衍射花样，电子束方向//[110]；

(e) 图(b)中区域A的选取电子衍射花样，电子束方向//[110]；

图4. 6%的变形度下Zr₅₀Cu₅₀合金中马氏体的明场像和选取电子衍射花样

(a,b) 6%的变形度下Zr₅₀Cu₅₀合金中马氏体的明场像；

(c) 图(a)中区域A的选取电子衍射花样，电子束方向//[010]；

(d) 图(b)中区域B的选取电子衍射花样，电子束方向//[110]；

(e) 马氏体变体的选取电子衍射花样，电子束方向//[100]；

图5. 再生的(021) I 型孪晶和残余的去孪晶化(001)复合孪晶的明场像和选区电子衍射花样

(a,c) 再生的(021) I 型孪晶和残余的去孪晶化(001)复合孪晶的明场像；

(b) 细小的马氏体变体的选取电子衍射花样，电子束方向//[100]；

图6. 6%的应变度下(021) I 型孪晶的界面的TEM图像

(a) 6%的应变度下(021) I 型孪晶的界面的TEM图像；

(b) 图(a)中箭头所指界面的选取电子衍射花样，电子束方向//[100]；

图7. 10%的应变度下(021) I 型孪晶的界面的TEM图像及对应的FFT图像

(a) 10%的应变度下(021) I 型孪晶的界面的TEM图像；

(b) 图(a)对应的FFT图像；

图8. 10%的应变度下(021) I 型孪晶界面上的堆垛层错

(a) 10%的应变度下(021) I 型孪晶界面上的堆垛层错及对应的FFT EDPs；

(b) 图(a)对应的FFT图像；

图9. HREM图像展示( 021) I 型形变孪晶终止在晶粒内部，许多显微孪晶和堆垛层错聚集在孪晶尖端

图10. 形成原理示意图

(a) (021)堆垛层错的形成原理示意图；

(b) (021) I 型形变孪晶的形成原理示意图；

【小结】

本文利用TEM系统地研究了Zr₅₀Cu₅₀形状记忆合金的变形机理，认为在马氏体在变形的不同阶段存在不同的变形机制。该研究成果对于进一步深入理解形状记忆合金的变形机理和推动Zr₅₀Cu₅₀基形状记忆合金的应用具有重要意义。

文献链接：Microstructural evolution of martensite during deformation in Zr₅₀Cu₅₀ shape memory alloy（Acta Mater.，2017, 10.1016/j.actamat. 2017.04.045）

本文由材料人编辑部金属材料学术组锁晓静供稿，材料牛编辑整理。

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