原子尺度下纳米晶TiNi合金中马氏体相变晶体学机制的原位电子显微学研究

在原子尺度理解纳米晶TiNi记忆 合金中马氏体相变、疲劳-断裂的规律和机制对于扩展和保证TiNi合金在微/纳尺度的应用具有十分重要的科学意义和应用价值。选取纳米晶TiNi合金作为研究对象，通过后期的真空热处理和聚焦离子束（FIB）制备不同厚度（10-100nm）和不同晶粒尺寸（几纳米到几十纳米）的纳米晶TiNi合金薄膜。利用自主研发的双金属片原位高分辨透射电镜变形技术，对上述微小尺寸的样品进行原位变形并用高分辨透射电镜对微纳区域内的晶粒在加载和卸载应力过程中的马氏体相变行为进行原位观察，利用马氏体相变晶体学、动力学理论进行分析：1）揭示原子尺度纳米晶TiNi合金在外界应力作用下正、逆马氏体相变过程中晶粒内和晶粒间的相变规律和晶体学机制；2）揭示纳米晶TiNi合金疲劳-断裂的原子机制；3）揭示晶粒尺寸、样品尺度对纳米晶TiNi合金中马氏体相变和其它塑性变形的影响及其微观晶体学机制。

本项目按计划顺利实施，完成了预期目标，在NiTi合金马氏体相变尺寸效应研究取得了一系列重要进展。利用透射电镜原位拉伸变形技术和原位降温技术，从应力诱发和热诱发马氏体相变两个角度直接观察到马氏体相变存在尺寸效应，即：当NiTi合金样品的物理尺寸小于22 nm时，R相变被抑制，当样品的物理尺寸小于50 nm时，马氏体相变被抑制。对样品不同厚度区域的成分分析显示随着厚度的降低，氧含量急剧增加。NiTi合金中氧含量的增加可以导致样品中Ti的析出和基体中Ni含量的增加，从而降低NiTi合金的马氏体相变温度。因此实验中观察到的尺寸效应不是材料的本征行为。因此NiTi合金薄膜在应用过程中需充分考虑薄膜厚度、氧化对马氏体相变行为的影响。