沉淀强化型超级铁基形状记忆合金马氏体相变热滞的调控机制研究

Recently, Science reported a series of precipitation hardening Fe-based super shape memory alloys showing very high reversible strain (13.5%), excellent strength (1200MPa) and large operational temperature range (about 400K) through reducing the martensitic transformation hysteresis by introducing precipitation hardening. Researchers have concluded the apparent laws for controlling of the martensitic transformation hysteresis in the Fe-based alloys, but the internal mechanism was not reported yet. This project application intends to investigate the influence of precipitates on the martensitic transformation hysteresis in the precipitation hardening Fe-based shape memory alloys (Fe-Ni-Co-Ti and Fe-Ni-Co-Al-Ta-B alloys), according to the energy dissipation theory of hysteresis. On the one hand, from the view of decreasing the dissipating energy (the coherent strain energy in martensitic transformation), demonstrate the mechanism that the precipitates control the tetragonality of martensite and improve the compatibility of the A/M interface and result in decreasing the coherent strain energy in martensitic transformation, which was considered as the source of the dissipating energy. On the other hand, from the point of inhibiting the path of energy dissipation, study the mechanism that the precipitates strengthen the matrix and suppress the dislocation slipping and result in cutting off the path of energy dissipation. The critical strength for suppressing the dislocation slipping could also be obtained. Both research ideas will reveal the internal mechanism of the transition from non-thermoelastic to thermoelastic martensitic transformation in the Fe-based shape memory alloys. The implementation of this applied project will provide important theoretical guidance and practical value for independent research and development of the new Fe-based shape memory alloys with huge reversible strain.

最近，Science报道了通过析出沉淀降低马氏体相变热滞，从而获得兼具超高可恢复应变能力、高强度以及超宽适用范围的沉淀型超级铁基形状记忆合金。研究者总结了沉淀降低铁基合金马氏体相变热滞的表观规律，但是其内在机制仍未见系统的研究报道。本申请项目拟以FeNiCoTi合金和FeNiCoAlTaB合金为对象，根据相变热滞的能量耗散理论，研究沉淀对相变热滞的影响规律：一方面从降低耗散能量源（马氏体相变共格应变能）的角度，论证沉淀通过调控马氏体正方度，改善A/M界面匹配程度，降低相变过程体系共格应变能的机制；另一方面从能量耗散途径的角度，阐述通过沉淀强化基体、抑制位错滑移，切断相变过程中的能量耗散途径，并获得抑制位错滑移的临界强度。双管齐下，揭示铁基合金马氏体相变由非热弹性转变为热弹性的内在机制。本申请项目的实施对自主研发具有超大可恢复应变能力的新型铁基形状记忆合金具有重要的理论指导意义。

沉淀型铁基形状记忆合金具有巨大的超弹性、良好的力学性能和吸震功能，且价格低廉、易加工，因而受到了人们的广泛关注。开发铁基形状记忆合金的重点在于控制马氏体相变的特征，通过时效工艺优化析出相状态，使其马氏体相变由非热弹性转变为热弹性，而热弹性马氏体相变是合金获得优异超弹性的关键。.本研究项目研究了Fe-Ni-Co-Ti和Fe-Ni-Co-Al-Ta-B两种合金在不同时效工艺下的马氏体相变热滞演化规律，同时利用原位电阻率表征技术研究了析出动力学过程，并通过TEM技术观察了析出相的组织演化，从而建立了沉淀型铁基形状记忆合金母相中的析出相状态与马氏体相变热滞的关系，并讨论了析出相在马氏体相变中所起的作用。总的来说，铁基形状记忆合金在载荷下的变形通过应力诱发马氏体相变带来的孪晶推移或位错滑移来实现，前者使合金展现优异的超弹性功能。通过析出控制，可以有效的抑制位错滑移，降低马氏体相变过程中的不可逆结构变化带来的能量损耗，优化超弹性；同时，马氏体相变表现为低热滞的热弹性。.研究表明，马氏体相变过程中的位错滑移来自马氏体相变产生的界面共格弹性应变能的弛豫行为。而沉淀型铁基形状记忆合金的弹性应变能来自两个部分：母相/马氏体（A/M）界面弹性应变能和析出相/基体界面弹性应变能。一方面，有序析出使马氏体相正方度（a/c）比升高，有利于改善A/M界面的匹配度，降低界面共格应变能；同时析出相能极大的提高母相与马氏体基体抵制位错滑移的能力。另一方面，过度析出又会提高析出相/（马氏体）基体界面弹性应变能，破坏析出相与基体的共格度。实验也表明，只有当析出相与奥氏体和马氏体均保持共格关系时，合金的马氏体相变为热弹性的。因此，析出相的控制存在一个优化区间，通过对Fe-Ni-Co-Ti和Fe-Ni-Co-Al-Ta-B两种合金析出微观分析，在适当的合金成分范围中，当析出相的尺度控制在3～5nm时，合金的马氏体相变热滞可以达到30K以内，符合热弹性马氏体相变特征，同时展现出良好的超弹性。.本项目研究成功阐述了沉淀型铁基形状记忆合金马氏体相变热滞的控制机制，达到了预定的目标。研究成果确定了此类形状记忆合金的析出相设计准则，也为其实际应用推广奠定了理论基础。