Acta Mater.: 纳米晶Ti-44Ni-5Cu-1Al(at%)合金中稳定且良好的超弹性和弹性热效应 形状记忆合金(SMA)的超弹性已在包括生物装置在内的领域获得实际应用。它是由应力诱发的马氏体转变(MT)和逆转变引起的。由于MT与潜热有关,因此当绝热地施加或去除应力时,应力诱导的MT导致试样温度升高或降低。这种行为通常被称为弹性热效应。最近,SMA中的弹性热效应引起了很多关注,因为它具有可用于新的制冷系统的高潜力。对于超弹性和弹性热效应,高抗疲劳性和良好的可加工性是实际应用的重要因素。
在许多SMA中,Ti-Ni SMA因其优异的机械性能和可加工性而得到最广泛的应用。有趣的是,由于与应激诱导的MT相关的高潜热,Ti-Ni SMA中的弹性热效应也很好。尽管已经进行了许多研究以改善Ti-Ni SMA的超弹性和疲劳性能,但它们的改进仍然是最具挑战性的主题。减小晶粒尺寸对改善机械性能是有效的。然而,它的疲劳特性并不令人满意。据推测,母体和马氏体相之间较差的晶格相容性将是疲劳性能不足的主要原因。 Ti-Ni SMA中有三种马氏体相。它们是R相,B19相和B19'相。尽管对于B2-B19'转变来说,超弹性应变是最大的,但对于大多数合金来说,B2相和B19'相之间的晶格相容性并不好。因此,通过反复B2-B19'转变,缺陷在试样中积累,导致疲劳性能不足。B2相和R相之间的晶格相容性较好,并且B2-R转变有优异的疲劳性能。然而,B2-R转化的转变应变和潜热很小,这限制了这种转化的使用。人们普遍认为,超弹性和疲劳特性是B2-B19转化的中间因素。对于B2-B19转变,考虑到通过引入细小显微组织和更好的疲劳性能来改善超弹性,可以在有B2-B19转变的合金中,通过引入细小显微组织来获得优异的超弹性。
近日,大阪大学 Takashi Fukuda和上海交通大学金学军教授和肖飞老师(共同通讯作者)在Acta Mater. 上发表了一篇题为“Stable and large superelasticity and elastocaloric effect in nanocrystalline Ti-44Ni-5Cu-1Al (at%) alloy”的文章。研究了Ti-44Ni-5Cu-1Al(at%)合金在各种热机械处理中的超弹性行为和弹性热效应。热轧后在673K热处理5分钟,随后的冷轧,样品表现出优异的4.9%的超弹性应变,当最大拉应力为500MPa时,具有90MPa的小应力滞后。在绝热条件下去除500MPa的应力时,该样品还表现出温度降低17K的大弹性热效应。 在超过5000个机械循环中,观察到超弹性应变和弹性热效应没有明显的恶化。 在750MPa的拉伸应力下获得的最大超弹性应变为6.8%。 透射电子显微镜观察和拉伸应力下的原位X射线衍射分析表明,样品的平均晶粒尺寸约为40nm,并且显示出连续的B2-B19-B19'转变。
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