導(dǎo)讀：本文研究了低溫時(shí)效引起的納米偏析對(duì)Ti-50.9 at.% Ni循環(huán)響應(yīng)的影響。混合蒙特卡羅/分子動(dòng)力學(xué)(MC/MD)模擬表明，在523 K時(shí)低溫時(shí)效達(dá)到了最明顯的納米偏析。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，在正反向轉(zhuǎn)化過程中，由于釘住效應(yīng)，Ni簇阻礙B2位錯(cuò)的推進(jìn)，而B2位錯(cuò)的滑移活性優(yōu)于NiTi的滑移活性，從而顯著提高了對(duì)功能退化的抵抗能力。實(shí)驗(yàn)表明，在523 K下低溫時(shí)效作用2 小時(shí)，由此產(chǎn)生了納米偏析，這可以大大提高Ti-50.9 at納米晶的超彈性穩(wěn)定性。經(jīng)過50次加載-卸載循環(huán)，低溫時(shí)效試樣的殘余應(yīng)變降低了50%，耗散能增加了200%。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果有利于采取納米結(jié)晶和納米偏析結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出具有高穩(wěn)定性的NiTi形狀記憶合金。

NiTi形狀記憶合金(SMA)具有超彈性和形狀記憶效應(yīng)，在航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。這些特殊的性能與立方奧氏體(B2)和單斜馬氏體(B19′)之間的可逆馬氏體轉(zhuǎn)變(MT)有關(guān)。然而，在奧氏體-馬氏體界面附近高局部應(yīng)力引起的位錯(cuò)滑移不可避免地會(huì)增加NiTi的不可逆性，降低其耗散能。隨著循環(huán)，功能退化不斷累積，最終導(dǎo)致功能疲勞，極大程度上限制了NiTi的實(shí)際應(yīng)用。目前抑制NiTi位錯(cuò)滑移的主要方法包括通過時(shí)效粗晶NiTi析出Ni4Ti3和通過劇烈塑性變形形成納米晶。第二種方法中晶界強(qiáng)化對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有明顯阻抗，能更有效地減弱NiTi的功能疲勞。下一步，本文講研究是否存在其他位錯(cuò)抑制手段來進(jìn)一步提高納米晶NiTi的循環(huán)性能。

最新的高分辨率透射電鏡(HRTEM)觀察證實(shí)，在523 K低溫時(shí)效(LTA)后，Ni50.8Ti49.2和Ni50.9Ti49.1基體中存在Ni原子的納米偏析。由此產(chǎn)生了原子尺度應(yīng)變波動(dòng)，溫度范圍擴(kuò)大時(shí)，內(nèi)摩擦顯著增加。Shamimi等提供了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)來驗(yàn)證523 K低溫時(shí)效后Ni50.8Ti49.2中的納米偏析。當(dāng)TEM樣品沿B2方向傾斜時(shí)，選擇區(qū)域電子衍射(SAED)模式中的擴(kuò)散強(qiáng)度歸因于Ni團(tuán)簇的出現(xiàn)。伴隨著化學(xué)波動(dòng)和晶格畸變的納米偏析將形成一個(gè)堅(jiān)固的原子和能量結(jié)構(gòu)，從而降低了高熵合金鋼、鋁合金和鎂合金等彈塑性材料中的位錯(cuò)遷移率。然而，由于SMA中位錯(cuò)滑移與可逆MT之間復(fù)雜的相互作用，納米偏析如何影響NiTi中的位錯(cuò)遷移率，以及納米偏析是否提高了NiTi的功能穩(wěn)定性也尚不清楚。

本文旨在通過原子模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法揭示納米偏析對(duì)鎳鈦循環(huán)響應(yīng)的影響。首先，采用混合蒙特卡羅/分子動(dòng)力學(xué)(MC/MD)方法，使得納米偏析的發(fā)展與低溫時(shí)效溫度和持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可視化。接著本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了納米偏析對(duì)NiTi的位錯(cuò)滑移和循環(huán)性能的影響。最后，通過力學(xué)循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了納米偏析對(duì)納米晶NiTi超彈性穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用。

同濟(jì)大學(xué)林建平等教授相關(guān)研究以“Improved superelastic stability by nanosegregation via low-temperature aging in Ti-50.9 at.% Ni shape memory alloy”為題發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964622400085X?via%3Dihub

圖1所示。MC/MD模擬預(yù)測(cè)了局部Ni濃度隨LTA溫度和持續(xù)時(shí)間的變化。偏析度用SD表示。Ni簇的面積分?jǐn)?shù)、平均尺寸和平均間距分別為f、l和d。在一些圖中，由于弱隔離，f、l和d的值缺失。

圖2. (a)邊緣位錯(cuò)和(b)螺旋位錯(cuò)的MD模擬設(shè)置。循環(huán)剪切的單晶NiTi的MD模擬結(jié)果包括(c) (011)[100]B2未時(shí)效的邊緣位錯(cuò)，(d) (011)[100]B2 LTA后的邊緣位錯(cuò)(通過MC/MD在523 K時(shí)效1600 ps實(shí)現(xiàn))，(e) (011)[100]B2未時(shí)效的螺旋位錯(cuò)和(f) (011)[100]B2 LTA后的螺旋位錯(cuò)(通過MC/MD在523 K時(shí)效1600 ps實(shí)現(xiàn))。循環(huán)剪應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線如圖c1、d1、e1、f1所示。位錯(cuò)平均位移(DD)與剪切應(yīng)變的關(guān)系為c2、d2、e2和f2。循環(huán)前滑移面位錯(cuò)線快照疊加的Ni濃度圖(P0)和每個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)(P1 ~ P5)由c3、d3、e3、f3表示。

圖3 (a)納米晶Ti-50.9 at的DSC曲線。% Ni樣品。(b)納米晶Ti-50.9 at的XRD譜圖。LTA前(樣品#1)和LTA后(樣品#4)在523 K下加熱2小時(shí)。(c)樣品4的亮場(chǎng)圖像。插圖是標(biāo)記晶粒的衍射圖樣。(d) Ti-50.8 at的HRTEM。在523 K下LTA后的% Ni顯示Ni原子沿指定原子陣列的周期性排列表明存在Ni偏析。

圖 4 . (a-d)納米晶Ti-50.9 at的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。% Ni樣品。(e)殘余應(yīng)變()隨循環(huán)的演化。(f)耗散能隨循環(huán)的演化。

綜上所述，本文采用混合蒙特卡羅/分子動(dòng)力學(xué)(MC/MD)模擬預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)Ti-50.9 at的納米偏析最強(qiáng)。523 K時(shí)效后，制成了Ti-50.9 at.% Ni ，700 K以上的時(shí)效后，合金的偏析不再明顯。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，NiTi(以{011}<100>B2體系為主)中在正反轉(zhuǎn)變過程中均加大了位錯(cuò)，并且由于釘住效應(yīng)的存在，分散的Ni簇的存在削弱了位錯(cuò)的遷移率，提高了對(duì)功能降解的抵抗能力。實(shí)驗(yàn)表明，低溫時(shí)效產(chǎn)生的納米偏析可以降低一半的Ti-50.9 at納米晶的殘余應(yīng)變 (從3.30%降至1.70%)，降低三倍的飽和耗散能 (從1.7 MJ/m3降至5.2 MJ/m3)。經(jīng)過50次加載-卸載循環(huán)，低溫時(shí)效后的試樣的殘余應(yīng)變降低了50%，耗散能增加了200%。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果促進(jìn)了采用納米結(jié)晶和納米偏析的結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)越彈性和穩(wěn)定性的NiTi形狀記憶合金。