中国石油大学（北京）智能金属材料团队Acta Materialia：NiTi合金马氏体孪晶的可逆性

材料人编辑小单 2年前 (2022-07-07) 1644浏览

导读：NiTi合金中的孪晶诱导弹性（TIE，Twinning Induced Elasticity）是指马氏体态（B19'）合金在加卸载过程中因马氏体孪晶具有可逆性而呈现的伪弹性变形，又常称为线性超弹性（Linear Superelasticity）。NiTi的TIE应变一般可达3-5%，在诸多领域有潜在应用价值。提升NiTi合金的TIE特性依赖于对可逆孪晶的深入理解，但现有认知存在矛盾，长久以来未获澄清。本文作者利用原位同步辐射X射线衍射技术，对NiTi合金多个TIE循环的微观结构演变进行了精细表征，首次给出了B19'高指数孪晶具备可逆性的实验证据，突破既有认知。

NiTi基形状记忆合金经较大预变形后（应变量>14%），在加卸载过程中因马氏体孪晶具有可逆性而呈现3-5%的可回复应变，远高于一般金属的弹性极限，此现象称为孪晶诱导弹性（TIE，Twinning Induced Elasticity）或线性超弹性（Linear Superelasticity）。TIE应变与相变诱导超弹性应变为同一数量级，且TIE对温度变化的敏感性一般远低于相变诱导超弹性，可满足需在宽温域内实现紧固或缓冲的应用场景，故备受关注。

自上世纪80年代，科研工作者对NiTi合金中的TIE宏观特征及其微观来源进行了持续探索，并于本世纪初首次给出B19'（001）孪晶具备可逆性的实验证据，这一阶段性成果明确了TIE与B19'可逆孪晶之间存在关联。目前，学界普遍接受一个观点：低指数孪晶（（001）孪晶）具备可逆性，高指数孪晶（（20）、（11）等）受晶体学限制不可逆。

然而，该观点与其他已被广泛验证的实验结果存在潜在冲突。这类实验结果包括：A. 随预变形量增大，TIE应变增大；B. 随预变形量增大，高指数孪晶体积分数增大，低指数孪晶体积分数减小。若结果A与结果B为真，则可推断某些高指数孪晶应具备可逆性；反之，则实验结果有误。明晰该认知冲突的来源，对正确理解NiTi合金的TIE特性与机制至关重要。

本文中，中国石油大学（北京）团队联合香港城市大学学者利用原位同步辐射X射线衍射技术追踪了NiTi合金在预变形过程中以及预变形后TIE循环加卸载过程中的微观结构演变，利用一维、二维X射线图谱以及反极图对B19'马氏体孪晶进行了系统表征与标定，明确了前述结果A、B均为真，并首次给出了B19'高指数孪晶具备可逆性的实验证据，对既有认知进行订正。相关研究成果以Revealing the mode and strain of reversible twinning in B19' martensite by in situ synchrotron X-ray diffraction为题发表于Acta Materialia （2022年6月30日）。论文第一作者为中国石油大学（北京）博士陈宇轩，通讯作者为中国石油大学（北京）崔立山教授、于开元教授。