广工大&哈工大：迄今最大恢复应变！一种新型高温形状记忆合金

导读：本研究开发了一种新型形状记忆合金，分析了合金的微观结构、相变和形状记忆效应。在马氏体相变和逆马氏体相变期间表现出优异的热稳定性，预应变为6%和8%时，最大恢复应变为5.33%和6.87%。该合金具有迄今为止最大恢复应变，是应用前景广阔的高温形状记忆合金。

形状记忆合金（SMA）由于其独特的特性（例如形状记忆效果和超弹性）而成为重要的功能材料，服役环境多为100℃以下。随着SMA的不断发展，对具有较高转变温度（超过100℃）的SMA的需求正在增加，这被定义为高温形状记忆合金（HTSMA）。尽管在过去的十年中进行了广泛而持续的科学努力，但由于高温金属SMAs的原材料价格昂贵，热稳定性差且恢复应变低，因此尚未在商业市场中得到充分应用。因此，设计新型高温形状记忆合金，例如基于ZrCu的高温形状记忆合金引起了研究人员越来越多的兴趣。

来自广东工业大学、哈工大等单位的研究人员设计了Zr50Cu25Ni7.5Co17.5高温形状记忆合金，具有出色的热稳定性，获得了最佳6.87%（最大8%预应变）的最大恢复应变，分析了该合金的变形机理。相关论文以题为“Zr50Cu25Ni7.5Co17.5high-temperatureshape memory alloy with excellent thermal stability and large recovery strain,and the associated microstructural deformation mechanism”发表在Materials and Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109108

本合金在Ar的环境下采用电弧熔炼制备，通过XRD和SEM表明，合金只存在马氏体。发现合金经过4个热循环后，逆马氏体相变峰值温度（Ap）和马氏体相变的峰值温度（Mp）基本保持不变，Ap增加3K，Mp减少3K，这可能是由于热循环过程中的位错导致。Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中马氏体相变的热稳定性明显优于Zr50Cu50合金。由于Zr50Cu50合金的共析反应导致热稳定性降低，Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中的Ni和Co能够抑制热循环期间的共析反应，进而提高热稳定性。

图1 （a）自协作性晶体的形态；（b）晶体中的子结构；（c）M和T的对应选择区域衍射图；（d）M对应的选择区域衍射图；（e）未变形的Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中面缺陷的明场像

图2（a）HREM和（b）沿[100]方向的B型平面缺陷的对应IFFT图像

图3（a）不同热循环次数的DSC曲线；（b）热循环次数对Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的相变温度的影响

研究发现Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的压缩应力-应变曲线与典型的TiNi SMA拉伸/压缩行为相反。Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金的形状记忆效应比Zr50Cu50合金好很多。在变形初始阶段马氏体表现出自协作形态，少量（001）复合孪晶开始解缠，变形应变可完全恢复；压缩应变4%时，纳米级（021）和（111）I型形变孪晶开始形成，沿（021）孪晶边界同时出现堆积断层；在8％的形变应变下，形成越来越多的纳米级（021）和（111）I型形变孪晶，同时（111）I型孪晶的界面变得弯曲。新的变形机制使马氏体在变形过程中具有可逆性，从而在Zr50Cu25Ni7.5Co17.5合金中产生了更好的形状记忆效果。