研究背景：形狀記憶合金（SMA）是應用于各種行業的關鍵功能材料之一。在當今不斷增長的智能設備市場和全球對能源效率的追求中，SMA迫切需要降低其密度，尤其是在航空航天任務中，它們可以作為航天器的自部署機器人或阻尼裝置。例如。傳統的TiNi、Cu和Fe基SMA有望表現出良好的形狀記憶效應（SME），然而，它們存在密度過大和嚴重依賴于織構取向等棘手的問題。另一方面，Mg-Sc SMA具有十分低的質量密度，但其成本較高，目前難以進行大規模工業化生產。相比之下，鈦合金由于其高比強度和適中的材料成本，在很多行業中都得到了成熟的應用。然而，到目前為止，由于可回收性差或強度低，鈦基SMA的輕量化優勢尚未在航空航天工業中得到體現。因此，開發能夠承受惡劣條件并從嚴重變形中恢復的鈦基SMA具有十分重要的科學意義。

通常，傳統的提高SME的策略在很大程度上依賴于消除晶界來釋放馬氏體相變的相鄰晶粒約束，因此往往希望獲得具有特定取向的單晶結構。這反過來又導致隨著滑動的早期開始而軟化，從而降低合金的強度和可恢復性。此外，具有細晶組織的SMA在拉伸變形過程中易發生脆性和早期失效。為了獲得良好的延展性并同時保持優異的SME，人們必須對多晶SMA（如Ti-Nb和Fe-Ni-Co-Al-Ta SMA）進行特殊的處理，以在特定方向上實現強織構特征。然而，這不可避免地會導致性能的嚴重各向異性，嚴重限制了其大規模應用。綜上所述，高性能、輕質SMA有望在航空航天等各種尖端領域發揮著關鍵作用，但迄今為止仍很難獲得。         

為此，香港城市大學楊濤教授領銜的研究團隊在其最新的研究中成功開發了一種新型高性能輕質Ti-12.5V-3.5Al-1Hf-0.8Fe-0.01B（at.%）SMA，其質量密度較低，約為4.73 g/cm³。值得注意的是，與以往研究中主要基于消除晶界或開發所需織構的傳統觀點不同，本研究中利用通過精心設計的熱機械處理引入“晶粒細化“策略，實現了卓越的形狀記憶響應和強度-延展性的有機結合。在這種新設計的細晶 SMA 中實現了占主導地位的 β 相結構，并伴有一些穿透晶界的 α” 變體。與粗晶合金（12.5V-UT）相比，細晶合金（12.5V-T）的變形過程變得更加復雜，涉及應力誘導的馬氏體相變和額外的重新取向，最終實現了高達 9.3% 的異常大的可恢復應變。此外，研究表明，細晶結構還有助于合金強度的提高，其比屈服強度提高至~159 MPa·m³/kg，同時保持~30%的大拉伸延展性。鑒于其令人印象深刻的結構-功能一體化集成和成本效率，這種新型 SMA 將在有望大規模應用于不同領域中，進而實現先進輕量化的智能設計。相關成果以“Grain refinement induced unusually large shape memory effect in lightweight titanium alloy”為題，于2024年04月20日發表在國際頂尖期刊《Acta Materialia》上。論文通訊作者為香港城市大學楊濤教授，第一作者為J.X. Zhang, 共同通訊作者為香港科技大學T.L. Zhang。其他合作者包括廈門大學S.Y. Yang, 上海交通大學J.L. Wu等。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119936

圖文摘要：

圖1 熱機械訓練前后的微觀組織    

圖2 細晶合金12.5V-T的顯微組織

圖3 細晶合金12.5V-T的α” 變體行為    

圖4 細晶合金12.5V-T在拉伸變形過程中的組織演變

圖5 細晶合金12.5V-T出色的形狀記憶效應和強韌性結合

圖6 新型12.5V形狀記憶合金的變形機理