導(dǎo)讀：Ni4Ti3沉淀相對NiTi形狀記憶合金中的馬氏體相變具有重要的影響。但目前其中的一些基本問題仍懸而未決。利用基于相場法的計算機模擬，本文研究了Ni4Ti3沉淀相析出過程中的微觀組織演化及其對B2→R 馬氏體相變的影響，系統(tǒng)研究了Ni4Ti3沉淀相引起的成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場對馬氏體相變的耦合作用。發(fā)現(xiàn)伴隨Ni4Ti3沉淀相的成分非均勻能夠明顯改變局域的馬氏體相變起始溫度進(jìn)而對全域的馬氏體相變動力學(xué)產(chǎn)生顯著影響，而Ni4Ti3沉淀相引起的內(nèi)應(yīng)力場能夠通過變體選擇決定馬氏體疇的孿晶結(jié)構(gòu)。因此，有望通過設(shè)計沉淀相形成的微觀結(jié)構(gòu)開發(fā)Invar合金。該研究為理解沉淀相調(diào)控馬氏體相變的機理提供了基礎(chǔ)，能夠為材料的熱機械處理提供指導(dǎo)，通過設(shè)計馬氏體相變行獲得理想的力學(xué)性質(zhì)。

NiTi形狀記憶合金因其獨特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域，如驅(qū)動器、傳感器、血管支架、微創(chuàng)治療器械等。馬氏體相變是形狀記憶合金獨特力學(xué)性質(zhì)的物理基礎(chǔ)，因此馬氏體相變的特征決定了形狀記憶合金的服役性能。

近年來，人們進(jìn)行了大量的探索以期通過調(diào)控馬氏體相變的動力學(xué)過程來提高形狀記憶合金的力學(xué)性質(zhì)，如通過納米尺度成分波動和預(yù)加載控制馬氏體的形核和長大、引入結(jié)構(gòu)性缺陷實現(xiàn)將馬氏體相變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變玻璃相變、利用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中的錯配應(yīng)力控制馬氏體相變過程、通過調(diào)節(jié)成分實現(xiàn)連續(xù)馬氏體相變等。其中利用沉淀相調(diào)節(jié)馬氏體相變是一種簡單、經(jīng)濟、有效的方法，如NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相的出現(xiàn)會對馬氏體相變的類型、相變溫度、相變路徑等產(chǎn)生顯著的影響。這是因為Ni4Ti3沉淀相不僅在周圍基體中引起成分非均勻，還會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力場，并且沉淀相顆粒間距較小時還會對馬氏體相變產(chǎn)生空間限制，這些因素都可能導(dǎo)致馬氏體相變行為的復(fù)雜化。盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)了Ni4Ti3沉淀相對馬氏體相變的影響，但是關(guān)于成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場哪個因素占主導(dǎo)作用的爭論仍懸而未決。此外成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場共同作用下馬氏體相變?nèi)绾伟l(fā)生，相鄰沉淀相顆粒間內(nèi)應(yīng)力場的耦合對馬氏體相變有什么影響也并不清楚。

為此，山東大學(xué)朱家明教授，香港理工大學(xué)石三強教授和俄亥俄州立大學(xué)王云志教授團(tuán)隊系統(tǒng)的研究了NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相對B2 ?R馬氏體相變的影響。基于相場模型的三維計算機模擬再現(xiàn)了Ni4Ti3沉淀相及其引起的成分非均勻場的演化過程如圖1所示，揭示了成分非均勻與內(nèi)應(yīng)力場共同作用下的馬氏體相變過程如圖2所示。對相變驅(qū)動力的定量分析（見圖3（a））表明成分非均勻主導(dǎo)了馬氏體相變的動力學(xué)過程，而內(nèi)應(yīng)力場通過變體選擇決定了馬氏體疇結(jié)構(gòu)。該研究還揭示了實效時間、初始成分、及相鄰沉淀相顆粒不同位向關(guān)系對馬氏體相變的影響（見圖3（b）-（c））。發(fā)現(xiàn)可以通過控制時效的溫度、時間和施加外載來調(diào)節(jié)沉淀相在基體中導(dǎo)致的成分分布和內(nèi)應(yīng)力場，將一級馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)楸碛^連續(xù)相變的同時完成變體選擇，進(jìn)而實現(xiàn)Invar效應(yīng)以及其他多種應(yīng)用。該工作以“Influence of Ni4Ti3 precipitation on martensitic transformations in NiTi shape memory alloy: R phase transformation”為題在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》發(fā)表。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421000458

圖1. Ni4Ti3沉淀相長大過程中成分非均勻場的演化。（a） 為Ni4Ti3 沉淀相的三維視圖。 （b）-（h） 沉淀相周圍Ni元素濃度場演化過程的二維截面圖，該截面貫穿圖（a）所示的Ni4Ti3沉淀相顆粒且平行于圖片晶面。

圖2. 成分非均勻和內(nèi)應(yīng)力場作用下B2→R馬氏體相變過程。 （a）和（c）分別是 （g1）-（g8）和 （h1）-（h8）的視角坐標(biāo)。 （b） 和 （d） 顯示了內(nèi)應(yīng)力場對R馬氏體相的變體選擇。 （g1）-（g8） 和 （h1）-（h8） 展示了降溫情況下馬氏體相變過程中的微結(jié)構(gòu)演化。不同的顏色代表不同的馬氏體變體和沉淀相，如（e）所示。

圖3. （a） 沉淀相附近的化學(xué)驅(qū)動力和內(nèi)應(yīng)力貢獻(xiàn)的相變驅(qū)動力比較圖。（b）不同時效時間和（c）不同初始成分對馬氏體相變動力學(xué)的影響。