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北科大重要发现,颠覆经典马氏体相变理论!15.2%超高弹性形变

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北京科技大学王沿东教授团队近期发现“超临界弹性”现象,并在此基础上成功制备无滞后的超弹性金属,在室温下具有高达15.2%零滞后弹性形变,最高超弹应力达1.5 GPa。这一发现颠覆了制约金属材料获得无滞后超高弹性的经典马氏体相变理论,具有重要的理论科学与工程应用价值。

从太空和深海勘探到智能机器人,各种各样的高性能工程应用都需要金属部件,这些金属部件必须能够在很大的温度范围内具有一定的可逆变形性。由于金属中原子键的固有限制,屈服应力和杨氏模量控制的弹性应变极限很少超过15%。相比之下,许多基于应力诱导马氏体相变的合金中,例如基于NiTi-,Fe-和Cu-的形状记忆合金,可以实现高达10%的可恢复弹性应变,也称为超弹性。随着科技的进步与勘探等需求,迫切需求开发出弹性性能更高的金属材料。

近日,北京科技大学新金属材料国家重点实验室王沿东教授团队成功制备出宽温域下具有零滞后超高弹性应变的NiCoFeGa单晶纤维,具有高达15.2%零滞后弹性形变,最高超弹应力达1.5GPa;断裂强度及延伸率分别超过1.6GPa和16%,而且在123-423K温度范围内其超临界弹性基本不受温度影响。相关论文以题为“Unprecedented non-hysteretic superelasticity of [001]-oriented NiCoFeGa single crystals”发表在国际顶级期刊《Nature Materials》。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0645-4

北科大重要发现,颠覆经典马氏体相变理论!15.2%超高弹性形变

该团队前期研究发现,通过增加Co的浓度可以降低Ni55-xCoxFe18Ga27(原子百分比)合金的马氏体转变温度,并且当x≥11时,热诱导的马氏体转变被完全抑制。为了研究不同的Cox合金在拉伸应力下的力学性能,制备了一系列直径约30-500μm的单晶纤维,具有平行于纤维轴的[001]取向和L21立方奥氏体结构。

研究发现Co6合金的应力-应变曲线具有典型的应力诱导马氏体相变特性,在加载和卸载平台之间表现出较大的滞后现象。Co10纤维显示出狭窄的应力滞后和13%的超弹性应变。随着Co浓度的增加,平坦区域消失,超弹性应力明显上升。Co含量≥12的纤维表现出三线性非滞后应力-应变曲线。对于Co20合金,最大非滞后超弹性应变达到15.2%,应力为1.5GPa,断裂强度超过1.6GPa,伸长率为16.1%,具有极好的可逆性且可重复性超过8000个循环。

北科大重要发现,颠覆经典马氏体相变理论!15.2%超高弹性形变

图1 Ni55-xCoxFe18Ga27合金的超弹性行为

通过透射电镜和中子衍射结果分析发现,由于短程和长程晶体结构的改变,退火温度对超弹性影响很大。对于Co15,523K退火后,应力从300MPa增加到700MPa,从应力诱导马氏体相变转变为非滞后超临界弹性;对于Co20,随着退火温度提高到673K,10%应变下的超弹性应力从750MPa增加到1.3GPa。结构缺陷与原子能级有关,原子尺度有序和无序晶体结构的纠缠,增强了晶体抵抗塑性变形的能力,抑制了一阶马氏体转变,取而代之的是微观连续相变。

北科大重要发现,颠覆经典马氏体相变理论!15.2%超高弹性形变

图2 NiCoFeGa纤维中超弹性的原位同步加速器表征

北科大重要发现,颠覆经典马氏体相变理论!15.2%超高弹性形变

图3 Co20单晶在不同温度下的中子衍射测量值

北科大重要发现,颠覆经典马氏体相变理论!15.2%超高弹性形变

图4 不同退火温度下合金的显微组织和力学行为

由此可见,这种新型无滞后弹性形变起源于应力作用下的晶格连续畸变,颠覆了传统的应力诱导马氏体相变理论,打破了这一理论对金属材料超临界弹性的限制,从而获得了具有无滞后的超高弹性金属材料。这一现象现象的发现为超高弹性功能材料开辟了新方向及应用,为材料超临界性能研究提供了新的思路,即可以通过材料原子尺度的有序与无序纠缠进而调控某项性能。(文:破风)

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