NiTi记忆合金智能材料与结构在热-力耦合下相变和组织演变的相场法模拟研究

In order to enhance our understanding of strength, reliability and durability issues of NiTi shape memory alloy (SMA) intelligent structures and devices, it is imperative to study and control the martensitic transformation which is the essential mechanism of shape memory effect and superelasticiy in NiTi SMAs. In the present project study, a phase field model, which takes into account the description of fundamental phase transition including martensitic transformation and Ni4Ti3 precipitation in NiTi SMA intelligent structure will be constructed. Then, the phase field model will be applied to the quantitative study of Ni4Ti3 precipiation and its distribution behavior in dense NiTi SMAs, the fundamental mechanism of autocatalytic-grown effect of precipitate particle and the effect of external stress on selective nucleation and ordered distribution will be investigated. The comprehensive effects of grain boundary segregation, initial supersaturation and external stress on the Ni4Ti3 distribution will be studied as well. Furthermore, the mechanism of the effect of pore shape, pore size and adjustable porosity on Ni4Ti3 precipitation and martenstitic transformation in lightweight high strength porous NiTi alloys will be revealed. Additionally, the formation requirements and mechanism of martensite-matrix coexistence phase will be preliminarily probed and the coupled effect of temperature and stress fields on the coexistence phase will be intensively discussed. The present research will provide theoretical support for design, manufacturing of NiTi SMA intelligent devices and structures, as well as their applications in engineering.

为有效解决NiTi形状记忆合金智能结构和器件的强度及服役可靠性和耐久性问题，必须深入理解并掌握对NiTi合金的形状记忆功能和超弹性起关键作用的马氏体相变问题。本项目拟建立描述NiTi合金中马氏体相变及Ni4Ti3沉淀析出的相场模型，并运用所建模型对致密NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相的析出过程及分布特征进行定量研究，揭示Ni4Ti3沉淀相"自催化效应"的根源和机理，阐明外加应力场作用下变体选择性析出和有序性分布问题，掌握晶界成分偏析、初始过饱和度及外应力对Ni4Ti3沉淀相分布影响的规律；以上述研究为基础，拓展研究轻质高强多孔NiTi合金中孔隙形状和尺寸及可调控孔隙率对Ni4Ti3相沉淀析出和马氏体相变行为影响的规律，探究多孔NiTi合金中马氏体-基体双相结构形成的条件和机理，阐明温度场和应力场耦合作用对双相结构的影响规律，为高可靠性NiTi合金智能器件的设计、制造和应用提供基础理论支持。

为有效解决NiTi 形状记忆合金智能结构和器件的强度及服役可靠性和耐久性问题，必须深入理解并掌握对NiTi 合金的形状记忆功能和超弹性起关键作用的基础相变问题，包括马氏体相变影响马氏体相变的Ni4Ti3沉淀行为。本项目建立了描述NiTi合金中马氏体相变及Ni4Ti3沉淀相析出过程的三维相场动力学模型，运用所建立的模型对致密NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相析出过程的组织形貌演化和生长动力学行为进行了系统的三维模拟研究，探究了沉淀相形成自催化组织的机制及沉淀相尺寸随时效时间的量化变化关系；发现Ni4Ti3变体直径和厚度方向不同的生长速率是变体形成三维盘状和二维透镜状形貌的最直接因素，且直径和厚度方向的生长可以由指数方程进行表征。阐明了时效时间、沉淀相颗粒尺寸、颗粒排列方式以及颗粒间横向距离和纵向间距等对体系浓度场的量化影响；发现贫乏区厚度随沉淀相颗粒尺寸而增大。以上述研究为基础，拓展探索了含孔隙NiTi合金体系中外加应力对Ni4Ti3沉淀行为的影响，在定性和定量层面上同时阐明孔隙和外加应力场对Ni4Ti3 沉淀相分布特征的影响规律；研究表明不同体积元处组织和平均尺寸的差异来源于体积元处应力状态的差异。较大的应力通过影响变体的直径和厚度进而促进某些取向择优变体的生长。利用梯级粉末烧结法成功制备出轻质高阻尼的多孔TiNiCu 形状记忆合金，并对其组织、相变行为、阻尼性能以及力学性能进行了深入研究；采用快速凝固法结合真空吸铸制备了近等原子比NiTi形状记忆合金并表征了所制备合金的组织形貌、马氏体相变行为及力学行为；进而利用粉末冶金法成功制备出纳米SiC颗粒增强的多孔NiTi基形状记忆复合材料，获得了很好的形状记忆效应和线性超弹性。本项目的研究成果提供了Ni4Ti3沉淀行为的完整动力学信息，为研究沉淀相变对马氏体相变的影响提供了很好的理论参考，对NiTi合金中亚稳相析出行为的认识向前推进了一大步，可为设计符合服役要求的具有合适强度的NiTi合金智能结构和器件的设计、制造和应用提供基础理论支持。同时可为新型高阻尼材料的设计和制备提供理论指导，并为其应用奠定了理论基础。