磁控形状记忆合金高频力学行为的宏微观机制研究

Ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) have ability to provide a high-frequency super-elastic strain (up to 10%) through magnetic field-induced martensite reorientation, which induces important potential applications on high-frequency/ultrafast actuator and sensor designs. However, up to now, most studies on the high-frequency mechanical behavior of FSMA are focused on macroscopic experimental characterization and phenomenological modeling, typical localized deformation and microstructure evolution effects on the high-frequency responses of FSMA still need more systematic experimental and theoretical investigations. In this project, multi-scale experiments on macroscopic (nominal) thermo-mechanical behavior, in-situ local-strain and local-temperature evolutions, and corresponding theoretical analyses based on thermodynamics and interface compatibility will be systematically performed on Ni-Mn-Ga single crystal FSMA. Through observations on the microscopic patterns, evolutions of twin and phase boundaries and the corresponding heat dissipations, the microstructure evolution effects on the macro thermo-mechanical behavior and fatigue properties of FSMA will be revealed, and a thermodynamic model will be developed to describe the high-frequency behavior. The experimental and theoretical investigations of this project will provide important theoretical understanding and technical supports for optimization of high-frequency performance and cyclic fatigue of FSMA-based functional components.

磁控形状记忆合金（FSMA）可通过磁致马氏体重定向机制获得高达10%的高频超弹应变，在高频/超快驱动和传感等领域具有重要应用前景。目前，FSMA高频力学行为研究主要集中在宏观实验测试与唯象理论分析方面，针对典型局域化变形和微观结构演化效应对其高频力学行为的影响机制这一关键问题仍缺乏系统的实验与理论研究。本项目拟选取典型FSMA单晶Ni-Mn-Ga作为研究对象，通过磁-热-力多场耦合下的高频宏观力学行为测试、局部应变场和温度场的同步原位实验观察，结合热力学和晶体界面相容性理论分析，阐明FSMA高频磁控变形中的局部应变、孪晶-相界面结构和局部热耗散等微观结构特征及其演化机理，揭示外场通过微观结构演化影响其宏观力学行为与疲劳特性的根本物理机制和规律，发展可描述FSMA高频力学行为的热力学理论模型，为实现FSMA功能构件从服役行为到疲劳特性的综合分析提供重要的理论和技术支撑。

基于马氏体相变和重取向物理机制，形状记忆合金（SMA）具备超弹性、形状记忆效应以及驱动-传感-阻尼-承载一体化等独特优势，尤其是磁性SMA可获得高达10%的高频超弹应变，在高频/超快驱动和传感等领域具有重要应用前景。然而，迄今为止基于SMA结构与器件的工业应用尚未大规模实现，其复杂力学行为的多尺度机理不清是制约其应用的瓶颈问题。为此，本项目旨在通过原位实验与理论结合，深入研究SMA力学行为中的典型局域化变形、微观结构演化效应及其宏微观关联机制，为SMA功能构件从服役行为到疲劳特性的综合分析提供理论和技术支撑。取得的主要结果如下：. 1）系统的磁-力-热驱动实验揭示了磁性SMA高频应变幅值随热交换系数非单调变化特性来源于由温度相关的两种不同物理机制，即温度诱发马氏体相变（高温）与孪晶应力的温度依赖性（低温）。2）基于热平衡关系建立了磁性SMA高频力学行为一维理论模型，可实现对FSMA宏观响应特性的定量评估，并提出新颖的应变作动器幅值调控设计思路。3）原子尺度计算揭示了单晶SMA纳米尺度力学特性尺寸-表面协同效应，并基于引入表/界面能的“core-shell”模型实现其定量描述。4）系统的原位疲劳实验阐明了介观尺度局部相变行为及其循环扩展对SMA宏观应力应变特性、疲劳行为的主导作用，揭示了循环加载中SMA宏微观变形关联机制及其多尺度疲劳机理。本项目研究可为形状记忆合金及类似马氏体相变材料服役行为理解与评估提供重要支撑，并对基于微观材料结构设计的高性能新型SMA材料开发具有重要参考价值。