廣工大&哈工大：迄今最大恢復應變！一種新型高溫形狀記憶合金

導讀：本研究開發了一種新型形狀記憶合金，分析了合金的微觀結構、相變和形狀記憶效應。在馬氏體相變和逆馬氏體相變期間表現出優異的熱穩定性，預應變為6%和8%時，最大恢復應變為5.33%和6.87%。該合金具有迄今為止最大恢復應變，是應用前景廣闊的高溫形狀記憶合金。

形狀記憶合金（SMA）由於其獨特的特性（例如形狀記憶效果和超彈性）而成為重要的功能材料，服役環境多為100℃以下。隨著SMA的不斷發展，對具有較高轉變溫度（超過100℃）的SMA的需求正在增加，這被定義為高溫形狀記憶合金（HTSMA）。儘管在過去的十年中進行了廣泛而持續的科學努力，但由於高溫金屬SMAs的原材料價格昂貴，熱穩定性差且恢復應變低，因此尚未在商業市場中得到充分應用。因此，設計新型高溫形狀記憶合金，例如基於ZrCu的高溫形狀記憶合金引起了研究人員越來越多的興趣。

來自廣東工業大學、哈工大等單位的研究人員設計了Zr50Cu25Ni7.5Co17.5高溫形狀記憶合金，具有出色的熱穩定性，獲得了最佳6.87%（最大8%預應變）的最大恢復應變，分析了該合金的變形機理。相關論文以題為「Zr50Cu25Ni7.5Co17.5high-temperatureshape memory alloy with excellent thermal stability and large recovery strain,and the associated microstructural deformation mechanism」發表在Materials and Design。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109108

本合金在Ar的環境下採用電弧熔煉製備，通過XRD和SEM表明，合金只存在馬氏體。發現合金經過4個熱循環後，逆馬氏體相變峰值溫度（Ap）和馬氏體相變的峰值溫度（Mp）基本保持不變，Ap增加3K，Mp減少3K，這可能是由於熱循環過程中的位錯導致。Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中馬氏體相變的熱穩定性明顯優於Zr50Cu50合金。由於Zr50Cu50合金的共析反應導致熱穩定性降低，Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中的Ni和Co能夠抑制熱循環期間的共析反應，進而提高熱穩定性。

圖1 （a）自協作性晶體的形態；（b）晶體中的子結構；（c）M和T的對應選擇區域衍射圖；（d）M對應的選擇區域衍射圖；（e）未變形的Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中面缺陷的明場像

圖2（a）HREM和（b）沿[100]方向的B型平面缺陷的對應IFFT圖像

圖3（a）不同熱循環次數的DSC曲線；（b）熱循環次數對Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的相變溫度的影響

研究發現Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的壓縮應力-應變曲線與典型的TiNi SMA拉伸/壓縮行為相反。Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的形狀記憶效應比Zr50Cu50合金好很多。在變形初始階段馬氏體表現出自協作形態，少量（001）複合孿晶開始解纏，變形應變可完全恢復；壓縮應變4%時，納米級（021）和（111）I型形變孿晶開始形成，沿（021）孿晶邊界同時出現堆積斷層；在8％的形變應變下，形成越來越多的納米級（021）和（111）I型形變孿晶，同時（111）I型孿晶的界面變得彎曲。新的變形機制使馬氏體在變形過程中具有可逆性，從而在Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中產生了更好的形狀記憶效果。

圖4 不同預應變的Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的壓縮應力-應變曲線及加熱過程中的恢復行為

圖5（a，b）變形為2％Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中馬氏體的明場TEM圖像和所選區域的衍射圖；（c）相互纏繞的（001）孿晶的明場TEM圖像；（d）相應的選定區域衍射圖

圖6（a，b，c，d）變形為8％Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中馬氏體的明場TEM圖像和區域A B的衍射圖

（文：破風）

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