Acta Mater.：多尺度約束條件下，超彈性形狀記憶合金NiTi單晶變形機制的原位三維表征

編輯部實習生 6年前 (2017-12-03) 3010瀏覽

【引言】

形狀記憶合金 （Shape Memory Alloy ，簡稱SMA）是一種新型功能材料，具有獨特的形狀記憶效應和超彈性特性超彈性。超彈性是記憶合金材料的主要特性之一，即形狀記憶合金產生較大的變形，在外力撤除后能夠回復到變形前的形狀，且應力－應變關系呈現非線性特征。形狀記憶合金是一種相變材料，通常存在奧氏體和馬氏體相兩種相。兩種相態會隨外部條件的影響而發生相互轉變，按相變的發生原因可分為應力誘發相變和溫度誘發相變。基于形狀記憶合金特殊的力學性能，其在智能系統以及工程方面的應用也越來越深入和廣泛。由于近些年研究人員對形狀記憶合金所做的大量研究，其在應用中的難題逐步得到解決。

【成果簡介】

近日，美國西北大學機械工程學院、科羅拉多礦業大學機械工程學院的Harshad M. Paranjape（通訊作者）與阿貢國家實驗室、康奈爾大學及西伯利亞物理技術研究所研究員合作，在Acta Materialia發表了題為“In situ,3D characterization of deformation mechanics of a superelastic NiTi shape memory alloy single crystal under multiscale constraint ”的文章。通過利用原位三維非破壞性表征技術，遠場高能X射線衍射顯微鏡（ff-HEDM），研究了超彈性NiTi單晶體中B2和B19，相變形和微觀組織的演變，結合實驗數據，建立微觀結構模型，模擬了樣本的局部應力狀態。這種3D實驗-模型相結合的方法對研究約束對非彈性變形的影響提供了新的思路。

【圖文導讀】

圖1.樣品幾何形狀及微觀結構模擬的曲面細分方案

（a）虛線矩形表示的拉伸樣品的標距，實線矩形表示模擬的區域。

（b）模擬過程中的網格分布，插圖表示標距內的網格密度。

（c）維諾劃分(Voronoi tessellation)代表B2晶粒。

（d）每個B2晶粒中的孿生B19’單元，藍色代表B2，標距部分的網格劃分見插圖。

（e）標距部分切面顯示了模型化的夾雜物排布。夾雜物以灰色顯示。 插圖顯示了樣品中夾雜物分布的SEM顯微照片。

圖2.應力-應變分布及相應的物相變化

（a）宏觀的軸向應力-應變曲線， ff-HEDM在紅點標記的①至?進行測量。

（b）①，⑨和?處的衍射曲線分布，衍射峰的位置對應于超彈性NiTi中四個常見的物相。

（c）DIC測量的軸向表面應變場的演變，平均值及標準差標注于每張圖片上方。

圖3.熱效應和電子顯微鏡的觀測結果

（a）樣品兩個位置處的差示掃描量熱儀（DSC）曲線，顯示出很寬的峰寬。

（b）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示出夾雜物（枝晶）的分布， 插圖給出了單個斷裂夾雜物的特寫。

（c）傳統的TEM亮場像顯示了粗大的Ni4Ti3析出（由箭頭示出）以及相應的選區電子衍射花樣（插圖），衍射花樣是沿Ni4Ti3析出物的[100]菱方晶帶軸拍攝得到的。

圖4.微觀結構模擬結果

（a）600MPa宏觀應力下的軸向應力， B2小角度晶界用虛線表示。

（b）標距位置顯示了800MPa宏應力下的局部應力分布； 插圖顯示了夾雜物周圍的非均勻軸向應力， 夾雜物本身的應力分布沒有顯示。

（c）對應于（b）截面中的B19，微結構； 藍色區域對應于B2，其他顏色對應于不同的B19，變體。

圖5峰值載荷下的應變分析

（a）DIC在峰值載荷下測得的標距區域內的軸向總應變（εtotal）。

（b）根據DIC測量的總應變和ff-HEDM測量的B2和B19，中的晶格應變，計算得到峰值載荷下的相變應變分布，εtrans=εtotal-εlatticeB2- εlatticeB19，。

圖6應力狀態的模擬以及夾雜物周圍B19'HPV分布的預測

（a）800MPa宏觀應力下軸向應力的分布。

（b）基于功最大準則，每點處特定慣習面變體（HPV）的理論軸向相變應變。

【小結】

NiTi形狀記憶合金中析出、相界、晶界和夾雜物等是多尺度約束的來源，會影響形狀記憶合金的力學響應。文章采用3D原位技術，對超彈性NiTi單晶在拉伸測試中進行微觀結構變形和演變的表征，并通過遠場高能X射線衍射顯微鏡觀察，結合微觀結構、變形、應力數據進行局部應力狀態的模擬，加深了約束對非彈性變形影響的理解。文章中提出的3D實驗-模型相結合的方法，還可以用于研究其他非彈性變形材料（如鈦合金、鋼和鎂合金等）中約束對其變形的影響。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部張潤凱編譯， 萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。?

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