鐵彈性合金中的馬氏體轉(zhuǎn)變是在轉(zhuǎn)變溫度以下由高對稱性奧氏體(a)向低對稱性馬氏體(M)的無擴(kuò)散結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，具有快速動力學(xué)。在Heusler合金中，經(jīng)常觀察到周期性調(diào)制馬氏體，其中M和O分別表示單斜晶體結(jié)構(gòu)和正交晶體結(jié)構(gòu)，數(shù)字表示調(diào)制周期內(nèi)原子層數(shù)量。與調(diào)制馬氏體相變相關(guān)的誘人性能，如巨大磁彈性，磁熱，彈性熱和磁電阻效應(yīng)，已被報道，為先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用提供了巨大的潛力。然而，體心立方(bcc)單位細(xì)胞如何扭曲成調(diào)制結(jié)構(gòu)還不完全清楚，盡管它的流行和吸引人的特性。

具有調(diào)制馬氏體的鐵彈性合金已經(jīng)顯示出有前景的功能，如巨大的彈性熱效應(yīng)和磁彈性效應(yīng)，但對周期調(diào)制的理解在原子變換(或周期性畸變)和自適應(yīng)相(或納米孿生，具有固定晶格參數(shù)的塊的組裝)概念之間引發(fā)了許多爭議。快速動力學(xué)馬氏體相變過程中原子重排過程的捕獲是研究的主要難點(diǎn)。

對此，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究所材料力學(xué)行為國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的馬天宇教授團(tuán)隊(duì)研究了Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金的馬氏體相變行為及調(diào)制馬氏體的形成。B2→6O→4O轉(zhuǎn)換可以用{101}剪切和< 110 >周期性變換位置。除了調(diào)制周期差異外，形成4O調(diào)制馬氏體比形成6O調(diào)制馬氏體需要更長的密實(shí)面變換距離和更劇烈的晶格剪切。相關(guān)研究成果以題為“Atomic scale understanding the periodic modulation in ferroelastic alloy Ni-Mn-Ti”發(fā)表在期刊Acta Materialia上。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423001003

圖1所示：(a)加熱/冷卻速率為10 K/min時Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金的DSC曲線，在接近270 K時放大圖顯示斜率有輕微變化。(b)加熱/冷卻速率為3 K/min時Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金的DMA曲線，在冷卻時存儲模量呈現(xiàn)兩階段軟化。

圖2所示：在350 K時，Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金中發(fā)現(xiàn)了B2組織的奧氏體。從[001]ZA拍攝的亮場TEM圖像(a)和SAED模式(b)，從[011]ZA拍攝的SAED模式(c)，從()到()基本反射的強(qiáng)度剖面(d)。

圖3所示：Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金原位冷卻至295 K、250 K和200 K時的亮場圖(a-c)、SAED圖(d-f)和強(qiáng)度分布圖(g-i)。(圖2a同區(qū)域)。

圖4所示：(a) B2型Ni-Mn-Ti奧氏體的單位胞。(b)偽正交晶格(由晶格剪切得到的bcc)與6O/4O馬氏體之間的晶體學(xué)關(guān)系。

圖5所示：原位冷卻至268 K (a, b)和263 K (c, d)時Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金另一個區(qū)域的亮場圖像和SAED模式。

圖6所示：Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金從液氮溫度加熱到rt后的TEM表征。低倍率亮場TEM圖像(a)，圓形區(qū)域的SAED圖(b-d)。局部畸變奧氏體(e)、含有不同取向的6O納米變異體(f, g)和4O調(diào)制馬氏體(h)的高倍TEM圖像。

圖7所示：局部畸變奧氏體的HR-TEM圖像(a)和對應(yīng)的FFT模式(b)。通過圈出基本反射(220)和()(c)，()和()(d)獲得的IFFT圖像。

圖8所示：6O調(diào)制馬氏體的紅外-透射電鏡圖像(a)和相應(yīng)的FFT圖(b). (a)中紅色矩形的放大視圖，其中顯示了可能的四方構(gòu)件和6O單元格(c).基于兩種不同調(diào)制概念從B2形成6O結(jié)構(gòu)的示意圖(d)。

圖9所示：4O調(diào)制馬氏體的紅外-透射電鏡圖像(a)和相應(yīng)的FFT圖(b). (a)中黃色矩形的放大視圖，其中顯示了可能的四方構(gòu)件和4O單元格(c).基于兩種不同調(diào)制概念從B2形成4O結(jié)構(gòu)的示意圖(d)。

圖10所示：(a)[010]用正弦調(diào)制描述的6O和4O上層結(jié)構(gòu)的投影。(b)沿[001]_B2//[010]_6O/4O方向觀察從B2到6O到4O調(diào)制馬氏體轉(zhuǎn)變的球棒模型。

圖11所示：(a) Ni₂₄Mn₁₅Ti₉(Ni₅₀Mn_31.25Ti_18.75, at.%)合金中B2、6O和4O相的形成能。(b)兩步馬氏體相變的自由能圖。

研究了Ni₅₀Mn₃₂Ti₁₈合金的馬氏體相變行為及調(diào)制馬氏體的形成。主要結(jié)論如下:

（1）冷卻后的兩步馬氏體相變?yōu)?/span>B2→6O→4O。由DFT計(jì)算可知，相變序列在能量上是有利的。

（2）整個轉(zhuǎn)變過程為兩步模量軟化，晶格參數(shù)、調(diào)制周期和{110}B2的密度逐漸變化。在形成完全有序的4O分層馬氏體之前，在第一步模量軟化形成的微米級偽正交疇內(nèi)部形成了短程應(yīng)變有序的6O納米疇，隨后從6O到4O的轉(zhuǎn)變也需要進(jìn)一步的模量軟化以沿a_O軸延伸。

（3）B2→6O→4O轉(zhuǎn)換可以用{101}剪切和< 110 >周期性變換位置。除了調(diào)制周期差異外，形成4O調(diào)制馬氏體比形成6O調(diào)制馬氏體需要更長的密實(shí)面變換距離和更劇烈的晶格剪切。

（4）如果遵循自適應(yīng)相概念，6O相和4O相的組成單元有明顯的四方性差異，這表明至少在目前的Ni-Mn-Ti合金中，原子混排概念可以解釋調(diào)制馬氏體的形成。這可能加深原子尺度上對原子調(diào)制的理解，這也是位移相變中一個長期存在爭議的問題。