镍钛铌记忆合金微观力学行为演化机理的原位衍射研究

准确理解和控制材料的功能机理是功能材料部件成功研制和性能优化的关键。宽滞后NiTiNb记忆合金在典型温度下及外加载荷作用时，会发生马氏体相变，而且由于基体中β-Nb软相粒子的存在，其宏观力学行为曲线呈现多阶特征。本项目拟利用中子原位衍射和同步辐射高能X射线原位衍射技术，研究典型温度下合金在各形变阶段马氏体体积分数、变体取向分布及母相/马氏体相界面、β-Nb粒子/基体界面的微观应力特征分布，并辅以微观力学自洽模拟等方法，获取形变过程马氏体相变行为和第二相粒子对微观应力场演化规律，从理论上阐明NiTiNb记忆合金各阶段力学行为特征与晶体微观组织量演化关联性的物理本质，全面揭示合金使役过程中合金内部宏观及微观力学行为演化机理，以期为其相关工程部件使用的安全性、可靠性提供准确的预估，并对类NiTiNb记忆合金的材料设计提出可行性建议。

能够准确理解和控制材料的功能机理是对功能材料部件成功研制和性能优化的关键，由于NiTi基记忆合金除具有优异的记忆效应、相变超弹性，还具备高阻尼特性、耐磨耐蚀性和生物相容性等，已在航空航天、机械电子、医学等多领域得到广泛应用。特别是NiTiNb形状记忆合金不仅具有传统记忆合金优异的记忆效应和相变超弹性，而且加工成型性能好。经过适当的变形处理后，相变滞后可高达150℃左右。这个特性使得NiTiNb记忆合金尤其适合用于制成航空用管接头，成为记忆合金最早最成功的工程应用之一。本研究项目以NiTiNb形状记忆合金为研究对象，主要利用同步辐射高能X射线衍射和数字图像相关(Digital Images Correlation, DIC)技术方法对建立原位衍射表征NiTiNb记忆合金微结构形态演化规律和构建与各形变阶段相对应的晶体微观组织量演化规律及机理开展了深入细致的分析。通过利用原位同步辐射高能X射线衍射方法，我们根据Ni47Ti44Nb9形状记忆合金相变过程中应力配分、局部马氏体相变和β-Nb相存在对形变/相变的影响等几个方面探究了应力诱发马氏体的相变特征。研究结果表明，NiTiNb合金中的马氏体相变很大程度由类吕德斯带的形成及扩展所驱动。在NiTi基体中，奥氏体向马氏体转变过程中应力随着类吕德斯带的扩展而发生显著变化。相变过程中，随着类吕德斯带的前端扩展β-Nb相所承受的应力分数增加到峰值。数字图像相关技术方法扑捉到原位拉伸过程中NiTiNb合金的高分辨率数字图像，可以清楚的观察到应力达到马氏体相变临界应力后，某些具有特定取向的晶粒区域开始发生形变/相变，出现局部区域应变集中，并呈现出变形带现象。随着外加载荷的提高，变形带则逐渐沿特定取向移动，这进一步证实了NiTiNb合金微观力学行为在应力平台区域发生突变的是由于形变过程中类吕德斯带扩展所导致。本研究项目成功建立了原位衍射表征NiTiNb记忆合金微结构形态演化规律的新方法，对于构建形变诱发相变材料的力学行为与晶体微观组织量演化规律及机理具有普适性。可将此方法运用于全面揭示合金使役过程中合金内部宏观及微观力学行为演化机理，为其相关工程部件使用的安全性、可靠性提供准确的预估，并对类NiTiNb记忆合金的材料设计提出可行性建议。