編輯推薦：本文透過控制冷軋和低溫退火製備了NiTi基形狀記憶合金，屈服強度可達到2.3GPa，可恢復應變為4.3%，壓縮迴圈次數超過10e8次。奈米層合物和奈米非晶相的相互強化抑制了相變位錯和奈米非晶相的剪下帶，提高了鎳鈦合金的疲勞抗力和強度。

NiTi基形狀記憶合金(SMA)已經在生物醫學裝置中廣泛應用，但在如固態製冷等情況下需要較長的疲勞壽命。然而提高鎳鈦合金的抗疲勞效能，往往會損害其它力學效能和功能特性。現有的提高SMA疲勞抗力的方法，包括控制共格相邊界的成分和組織控制，如析出和晶粒尺寸減小。

近日，來自中國香港科技大學的孫慶平等研究者，將以上策略擴充套件到奈米尺度，並透過一種雜化的非均質奈米結構來提高NiTi的抗疲勞效能。相關論文以題為“Nanocomposite NiTi shape memory alloy with high strength and fatigue resistance”發表在頂級期刊Nature Nanotechnology上。更多精彩專業影片，請關注抖音賬號：材料科學網。

論文連結：

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

NiTi SMA的疲勞表現為，馬氏體相變應力和應變等功能特性的降低(即功能性疲勞)，以及裂紋引起的結構損傷(即結構疲勞)。NiTi的功能疲勞是由奧氏體(B2立方)和馬氏體(B19單斜)運動相邊界(習慣面)的微觀應變不協調引起的相變誘導位錯引起的，並透過裂紋形核擴充套件與結構疲勞相結合，最終導致材料的災難性斷裂。

與晶粒NiTi大的可恢復應變和有限的位錯抗力相比，非晶塊體金屬非晶具有較高的強度，但具有有限的可恢復應變，並且非常容易受區域性剪下帶的變形影響。然而，奈米金屬玻璃可以顯示大的可恢復應變約4.4%和增強的抗剪下帶，需要臨界長度(約100 nm)才能成核。同樣，透過將晶粒或晶體尺寸減小到奈米尺度，可以大幅抑制晶體NiTi中的相變誘導位錯。因此，獲得高效能鎳鈦的一種可能策略是在材料中建立特殊控制臨界長度尺度的非均質多相奈米結構，其晶態和非晶態的性質可以協同提高疲勞抗力和強度。

劇烈塑性變形，如冷軋和高壓扭轉，是實現NiTi晶體細化和部分非晶化的有效途徑。劇烈塑性變形的鎳鈦由於含有大量的B19′和非晶相，可恢復應變有限。對劇烈變形的NiTi進行退火，可透過B19′的反向轉變、非晶相的結晶和晶粒長大來增加可恢復應變。然而，研究者必須小心控制奈米尺度內的晶粒尺寸，因為晶粒尺寸大的多晶鎳鈦強度低，抗疲勞效能差。因此，控制劇烈塑性變形時的塑性應變、退火溫度和退火時間是實現NiTi中理想的非晶-非晶奈米結構的關鍵。

在此，研究者透過對商用奈米晶NiTi片材進行冷軋，製備了NiTi晶-非晶奈米複合材料(CAN)，冷軋厚度可達42%，503 K低溫退火30 min，冷水淬火。製備的奈米複合材料的可恢復應變為4.3%，屈服強度為2.3 GPa。在迴圈壓縮實驗中，奈米結構的鎳鈦微柱在1.8 GPa的應力下承受了10e8次以上的可逆相變迴圈。這種增強的效能，歸因於奈米級非晶相和晶相的相互強化，即非晶相抑制晶相中的位錯滑移，而晶相阻礙了非晶相中剪下帶的傳播。

圖1 NiTi CAN的奈米結構

圖2 準靜態應力-應變響應。

圖3 迴圈相變行為。

圖4 奈米晶相和非晶相的協同和相互強化。

綜上所述，研究者透過控制冷軋和低溫退火製備了NiTi CAN。在1.8GPa的應力條件下，NiTi CAN微柱的屈服強度為2.3GPa，可恢復應變為4.3%，壓縮迴圈次數超過10e8次。掃描電鏡和透射電鏡分析表明，奈米層合物和奈米非晶相的相互強化抑制了相變位錯和奈米非晶相的剪下帶，提高了鎳鈦合金的疲勞抗力和強度。控制強塑性變形和退火，是提高廣泛應用的NiTi形狀記憶合金力學效能的有效方法。（文：水生）