汽车用硅硼钢成形热处理一体化工艺组织演变的模拟与验证
批准号        51911530204       
学科分类        钢铁和有色合金结构材料 ( E010102 )
项目负责人        金学军       
依托单位        上海交通大学
资助金额        10.00万元       
项目类别        国际(地区)合作与交流项目        研究期限       
2019 年 01 月 01 日 至2021 年 12 月 31 日

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。

近日，国际材料著名刊物《Acta Materialia》，在线刊登了上海交通大学材料科学与工程学院金学军教授团队低温钢领域的最新研究成果 （https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.019）。论文第一作者为上海交大材料学院博士生黎雨，上海交大材料学院金学军教授、李伟副教授为共同通讯作者，上海交大是本文的第一作者及通讯作者单位。这也是在读博士生黎雨发表的第3篇《Acta Mater》文章。

该研究通过一种新型的形变热处理工艺，在不经过剧烈形变的情况下获得具有双晶分布及复合析出分布的高锰奥氏体低温钢（图1）。这种高锰奥氏体低温钢在保持高韧塑性的同时，大幅度提高低温材料的屈服强度和抗拉强度，在清洁能源储运关键装备（如液化天然气船等）有广泛的应用前景。双晶组织的背应力强化及低温形变产生的高密度纳米孪晶，是该高锰钢在常温与低温同时具有高强韧性的关键。

近年来，围绕经济型低温钢的组织设计、变形机制与强韧化规律的探讨，金学军教授团队与多个研究团队合作，对节镍型低温钢和高锰奥氏体钢等同时具备析出相与亚稳奥氏体的多相多尺度组织相变调控进行了深入研究，结合创新的淬火-配分-析出（QPT）热处理工艺，提出了一种节镍型低温特殊钢（2017年3月获得发明专利授权）。

黎雨同学是上海交大材料学院在读直博研究生， 2016年至今，以第一作者发表多篇论文，包括3篇Acta Materialia和1篇International Journal of Plasticity，先后获得博士研究生国家奖学金和徐祖耀优秀相变论文奖等奖励。

研究工作得到了国家重点研发计划（No. 2017YFB0703003）、国家自然科学基金（51201105）、上海市优秀学术带头人计划（18XD1402200）和工信部“新型液化天然气船液货围护系统预先研究”等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.019。