顶级《Nature》子刊：屈服强度2.3GPa，抗疲劳的形状记忆合金！

编辑推荐：本文通过控制冷轧和低温退火制备了NiTi基形状记忆合金，屈服强度可达到2.3GPa，可恢复应变为4.3%，压缩循环次数超过108次。纳米层合物和纳米非晶相的相互强化抑制了相变位错和纳米非晶相的剪切带，提高了镍钛合金的疲劳抗力和强度。

NiTi基形状记忆合金(SMA)已经在生物医学设备中广泛应用，但在如固态制冷等情况下需要较长的疲劳寿命。然而提高镍钛合金的抗疲劳性能，往往会损害其它力学性能和功能特性。现有的提高SMA疲劳抗力的方法，包括控制共格相边界的成分和组织控制，如析出和晶粒尺寸减小。

近日，来自中国香港科技大学的孙庆平等研究者，将以上策略扩展到纳米尺度，并通过一种杂化的非均质纳米结构来提高NiTi的抗疲劳性能。相关论文以题为“Nanocomposite NiTi shape memory alloy with high strength and fatigue resistance”发表在顶级期刊Nature Nanotechnology上。更多精彩专业视频，请关注抖音账号：材料科学网。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00837-5

NiTi SMA的疲劳表现为，马氏体相变应力和应变等功能特性的降低(即功能性疲劳)，以及裂纹引起的结构损伤(即结构疲劳)。NiTi的功能疲劳是由奥氏体(B2立方)和马氏体(B19单斜)运动相边界(习惯面)的微观应变不协调引起的相变诱导位错引起的，并通过裂纹形核扩展与结构疲劳相结合，最终导致材料的灾难性断裂。

与晶粒NiTi大的可恢复应变和有限的位错抗力相比，非晶块体金属非晶具有较高的强度，但具有有限的可恢复应变，并且非常容易受局部剪切带的变形影响。然而，纳米金属玻璃可以显示大的可恢复应变约4.4%和增强的抗剪切带，需要临界长度(约100 nm)才能成核。同样，通过将晶粒或晶体尺寸减小到纳米尺度，可以大幅抑制晶体NiTi中的相变诱导位错。因此，获得高性能镍钛的一种可能策略是在材料中创建特殊控制临界长度尺度的非均质多相纳米结构，其晶态和非晶态的性质可以协同提高疲劳抗力和强度。

剧烈塑性变形，如冷轧和高压扭转，是实现NiTi晶体细化和部分非晶化的有效途径。剧烈塑性变形的镍钛由于含有大量的B19′和非晶相，可恢复应变有限。对剧烈变形的NiTi进行退火，可通过B19′的反向转变、非晶相的结晶和晶粒长大来增加可恢复应变。然而，研究者必须小心控制纳米尺度内的晶粒尺寸，因为晶粒尺寸大的多晶镍钛强度低，抗疲劳性能差。因此，控制剧烈塑性变形时的塑性应变、退火温度和退火时间是实现NiTi中理想的非晶-非晶纳米结构的关键。

在此，研究者通过对商用纳米晶NiTi片材进行冷轧，制备了NiTi晶-非晶纳米复合材料(CAN)，冷轧厚度可达42%，503 K低温退火30 min，冷水淬火。制备的纳米复合材料的可恢复应变为4.3%，屈服强度为2.3 GPa。在循环压缩实验中，纳米结构的镍钛微柱在1.8 GPa的应力下承受了108次以上的可逆相变循环。这种增强的性能，归因于纳米级非晶相和晶相的相互强化，即非晶相抑制晶相中的位错滑移，而晶相阻碍了非晶相中剪切带的传播。

图1 NiTi CAN的纳米结构

图2 准静态应力-应变响应。

图3 循环相变行为。

图4 纳米晶相和非晶相的协同和相互强化。

综上所述，研究者通过控制冷轧和低温退火制备了NiTi CAN。在1.8GPa的应力条件下，NiTi CAN微柱的屈服强度为2.3GPa，可恢复应变为4.3%，压缩循环次数超过108次。扫描电镜和透射电镜分析表明，纳米层合物和纳米非晶相的相互强化抑制了相变位错和纳米非晶相的剪切带，提高了镍钛合金的疲劳抗力和强度。控制强塑性变形和退火，是提高广泛应用的NiTi形状记忆合金力学性能的有效方法。（文：水生）