Acta Mater.: 納米晶Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金中穩定且良好的超彈性和彈性熱效應
【引言】
形狀記憶合金（SMA）的超彈性已在包括生物裝置在內的領域獲得實際應用。它是由應力誘發的馬氏體轉變（MT）和逆轉變引起的。由于MT與潛熱有關，因此當絕熱地施加或去除應力時，應力誘導的MT導致試樣溫度升高或降低。這種行為通常被稱為彈性熱效應。最近，SMA中的彈性熱效應引起了很多關注，因為它具有可用于新的制冷系統的高潛力。對于超彈性和彈性熱效應，高抗疲勞性和良好的可加工性是實際應用的重要因素。
在許多SMA中，Ti-Ni SMA因其優異的機械性能和可加工性而得到最廣泛的應用。有趣的是，由于與應激誘導的MT相關的高潛熱，Ti-Ni SMA中的彈性熱效應也很好。盡管已經進行了許多研究以改善Ti-Ni SMA的超彈性和疲勞性能，但它們的改進仍然是最具挑戰性的主題。減小晶粒尺寸對改善機械性能是有效的。然而，它的疲勞特性并不令人滿意。據推測，母體和馬氏體相之間較差的晶格相容性將是疲勞性能不足的主要原因。
Ti-Ni SMA中有三種馬氏體相。它們是R相，B19相和B19'相。盡管對于B2-B19'轉變來說，超彈性應變是最大的，但對于大多數合金來說，B2相和B19'相之間的晶格相容性并不好。因此，通過反復B2-B19'轉變，缺陷在試樣中積累，導致疲勞性能不足。B2相和R相之間的晶格相容性較好，并且B2-R轉變有優異的疲勞性能。然而，B2-R轉化的轉變應變和潛熱很小，這限制了這種轉化的使用。人們普遍認為，超彈性和疲勞特性是B2-B19轉化的中間因素。對于B2-B19轉變，考慮到通過引入細小顯微組織和更好的疲勞性能來改善超彈性，可以在有B2-B19轉變的合金中，通過引入細小顯微組織來獲得優異的超彈性。
【成果簡介】
近日，大阪大學 Takashi Fukuda和上海交通大學金學軍教授和肖飛老師(共同通訊作者)在Acta Mater. 上發表了一篇題為“Stable and large superelasticity and elastocaloric effect in nanocrystalline Ti-44Ni-5Cu-1Al (at%) alloy”的文章。研究了Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金在各種熱機械處理中的超彈性行為和彈性熱效應。熱軋后在673K熱處理5分鐘，隨后的冷軋，樣品表現出優異的4.9％的超彈性應變，當最大拉應力為500MPa時，具有90MPa的小應力滯后。在絕熱條件下去除500MPa的應力時，該樣品還表現出溫度降低17K的大彈性熱效應。 在超過5000個機械循環中，觀察到超彈性應變和彈性熱效應沒有明顯的惡化。 在750MPa的拉伸應力下獲得的最大超彈性應變為6.8％。 透射電子顯微鏡觀察和拉伸應力下的原位X射線衍射分析表明，樣品的平均晶粒尺寸約為40nm，并且顯示出連續的B2-B19-B19'轉變。
【圖文導讀】
圖1 ：經過不同熱機械處理（HR，CR，CR673，CR873）后以10K / min的速率測量的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的DSC冷卻和加熱曲線。
圖2 ：不同熱機械處理（HR，CR，CR673，CR873）后Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的電阻率的溫度依賴性。
圖3：不同熱機械處理的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的馬氏體轉變溫度和熱滯后。
（a）不同熱機械處理（HR，CR，CR673，CR873）后Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的馬氏體轉變溫度（Ms，Mf，As和Af）；
（b）用（Af-Ms）來評估熱滯后。
圖4：冷卻和加熱過程中在不同測試溫度下Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673樣品的原位X射線衍射圖。
（a）冷卻；（b）加熱。
圖5： Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）HR樣品的明場圖和選區域衍射圖。
（a）Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）HR樣品的明場圖像；
（b）、（c）、（d）分別取自標記為B，C和D區域的選區域衍射圖。
圖6：Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR樣品的明場圖像和相應的衍射圖。箭頭表示軋向。
圖7：Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673樣品的明場圖像、選區衍射圖、高分辨TEM圖像和對應的快速傅立葉變換。
（a）Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673樣品的明場圖像和選區衍射圖；
（b）、（c）、（d）和（b'）、（c'）、（d'）分別為對應于紅色矩形區域的高分辨TEM圖像和對應的快速傅立葉變換。
圖8：Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR873樣品的明場圖像。
圖9：不同熱機械處理后Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的應力-應變曲線。
（a）在332K測試的HR樣品；
（b）在335K測試的CR樣品；
（c）在318K測試的CR673樣品；
（d）在325K測試的CR873樣品。圖示了誘導馬氏體轉變的臨界應力。
圖10：用于誘導Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673樣品馬氏體轉變的臨界應力的溫度依賴性。
圖11：在加載和卸載過程中，Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金在不同拉伸應力下的原位X射線衍射圖 。
a，a'：HR；b，b'： CR；c，c'：CR673；d，d'：CR873。
圖12：不同試樣的應力控制疲勞試驗中的應力-應變曲線響應。
（a）在最大拉應力?500MPa，318K下的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673試樣；
（ b）在最大拉應力~580MPa，338K下的Ti-50.8Ni（at％）CR673試樣。初始狀態下這兩個試樣的最大可逆應變相互接近?4.9％。
圖13：作為不同階段時間的函數，絕熱溫度變化ΔT。
（a）Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）CR673試樣在最大拉應力下?500MPa下的第1，第1500和第5000次；
（b）Ti-50.8Ni（at％）CR673試樣在最大拉應力~580MPa下的第1，第2和第10次。圖示了由逆向馬氏體轉變引起的ΔT。
【小結】
本文系統地研究了經過熱軋（HR），冷軋（CR），在673K下時效5分鐘（CR673）后冷軋，在873K下時效5分鐘（CR873）后冷軋的各種熱機械處理的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的轉變特性，微觀組織，力學行為和原位結構演變。發現：
（1）HR和CR873試樣具有微尺度晶粒，在加載過程中顯示出應力誘導的典型一級B2-B19-B19'MT，但在卸載過程中它們是不可逆的；
（2）由于冷軋引入的致密缺陷和非晶相，在CR試樣中部分地抑制了熱應力誘導的MTs。CR試樣顯示出非線性超彈性；
（3）具有納米級晶粒（~40nm）的CR673樣品顯示出彌散的B2-B19-B19'MT。在750MPa的拉伸應力下獲得了具有相對低的σc（~260MPa）和應力滯后（~150MPa）的大可逆應變~6.8％；
（4）CR673試樣在~500 MPa的拉伸應力下具有90 MPa小應力滯后的4.9％的穩定超彈性應變，和穩定的彈性熱效應（ΔT~17.4K）。超過5000個機械循環后，超彈性和彈性熱效應的惡化可忽略不計。在Ti-44Ni-5Cu-1Al CR673樣品中獲得了高能效值（η~11）。
本文由材料人編輯部金屬材料學術組Sweet供稿，材料牛編輯整理。
歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。
材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。
文章評論(0)