形狀記憶合金在變形後可以恢復原來的形狀，這使得它們在各種特殊的應用中都很有用。金屬形狀記憶合金的超彈性行為始於臨界應力，臨界應力隨溫度的升高而增大。溫度依賴性是其共同的特點，經常限制了金屬形狀記憶合金的應用。
近日，日本東北大學的Toshihiro Omori團隊發現了一個鐵基超彈性合金體系，該體系的臨界應力可以得到優化，在較低溫度下具有較小的臨界應力變化，具有重要應用前景。相關論文以題為「Iron-based superelastic alloys with near-constant critical stresstemperature dependence」於08月14日發表在Science上。
論文連結：
https://science.sciencemag.org/content/369/6505/855
形狀記憶合金(SMA)是一種智能材料，由於可逆馬氏體相變而表現出很大的可恢復應變。SMAs具有兩個特殊的具有實際意義的特性：形狀記憶效應(SME)和超彈性(SE)。在SME中，通過加熱致馬氏體可以恢復較大的應變。通過卸載與應力誘導馬氏體的反向轉變可以得到SE。
自SME在Au-Cd合金中的首次報導以來，已經發現了許多SMA體系。Ti-Ni系統因其具有良好的形狀記憶和機械性能，以及耐腐蝕性能而被廣泛應用於醫療領域。然而，Ti-Ni合金的高成本和較差的冷可加工性限制了其在細線或細管產品上的應用。低成本、高可用性的Fe基的SMAs可以開拓更廣泛的應用領域。鐵基超彈性合金已成功地在Fe-Ni-Co-Al和Fe-Mn-Al-Ni體系中合成。然而，這些合金的溫度範圍仍然需要擴大，以適應不同類型的應用。相比於Ti-Ni系統，Fe-Mn-Al-NiSMA合金系統具有更低的成本和更好的冷加工性能，是一種很有前途的候選者。廉價的Fe-Mn-Al-Ni基礎的SMAs不僅對小型應用有吸引力，對大型應用也有吸引力，例如，在建築和橋梁中的地震應用。
溫度的變化是不可避免的，材料的性能，包括形狀，由於熱膨脹通常也會發生變化。由於母相相對於馬氏體相具有更高的穩定性，導致馬氏體相變所需的臨界應力隨溫度的升高而增大。因此，臨界馬氏體相變應力最終大於屈服應力，即發生塑性變形而不是SE。這就限制了Ti-Ni合金室溫下SE的溫度範圍小於100 K。即使在這個溫度範圍內，由於溫度波動導致的不穩定性能也會限制其應用。這種溫度依賴性促使工程師和科學家們尋找對溫度不敏感甚至溫度不變性的材料。一個公認的材料具有溫度不變性，即熱膨脹幾乎為零的例子是因瓦合金Fe-36Ni。然而，實現具有臨界應力溫度不變性的SMA具有挑戰性。
在此，研究者發現一種Fe-Mn-Al-Cr-Ni SMA可以解決上述缺陷。通過在10到400 K之間加入溫度不變性幾乎為零的Cr，可以將臨界應力的溫度依賴性從正調到負。更重要的是，在本文中的Fe-34Mn-13.5Al-3Cr-7.5Ni合金中，臨界應力與溫度的關係幾乎為零。3Cr的平均溫度依賴10到300 K溫度範圍內的估計為0.085MPa/K，比傳統的Fe-Mn-Al-Ni合金(0.514MPa/K)小一個數量級，比實際的Ti-Ni合金(5.87MPa/K)小兩個數量級。這種現象體現了溫度不變的應力依賴性。這種特性對於一系列基於外層空間的應用和其他溫度波動較大的潛在應用價值是非常可觀的。
圖1 Fe-Mn-Al-Cr-Ni形狀記憶合金體系的力學性能
圖2 Fe-34Mn-13.5Al-3Cr-7.5Ni單晶樣品的力學性能。
圖3 Fe-Mn-Al-Cr-Ni合金體系的熱力學分析
圖4 Fe-Mn-Al-Cr-Ni與其他傳統形狀記憶合金的比較
私人公司和政府機構對太空探索日益增長的興趣推動了對新材料的需求。探索像月球或火星這樣的天體需要在大溫度範圍內工作的材料。 月球的晝夜變化量溫度為400-100K，而火星的溫度晝夜變化量為290 – 120 K。本文中的鐵基超彈性合金在較低溫度下具有較小的臨界應力變化(圖2 b)，這意味著像3Cr這樣的合金有潛力用作展開望遠鏡的彈簧，探測車輪胎，太空飛行器和振動控制系統以及應用在月球基礎設施發展。（文：水生）
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