北京科技大學王沿東教授團隊近期發現“超臨界彈性”現象，並在此基礎上成功製備無滯後的超彈性金屬，在室溫下具有高達15.2%零滯後彈性形變，最高超彈應力達1.5 GPa。這一發現顛覆了制約金屬材料獲得無滯後超高彈性的經典馬氏體相變理論，具有重要的理論科學與工程應用價值。
從太空和深海勘探到智能機器人，各種各樣的高性能工程應用都需要金屬部件，這些金屬部件必須能夠在很大的溫度範圍內具有一定的可逆變形性。由於金屬中原子鍵的固有限制，屈服應力和楊氏模量控制的彈性應變極限很少超過15％。相比之下，許多基於應力誘導馬氏體相變的合金中，例如基於NiTi-，Fe-和Cu-的形狀記憶合金，可以實現高達10％的可恢復彈性應變，也稱為超彈性。隨著科技的進步與勘探等需求，迫切需求開發出彈性性能更高的金屬材料。
近日，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室王沿東教授團隊成功製備出寬溫域下具有零滯後超高彈性應變的NiCoFeGa單晶纖維，具有高達15.2%零滯後彈性形變，最高超彈應力達1.5GPa；斷裂強度及延伸率分別超過1.6GPa和16%，而且在123-423K溫度範圍內其超臨界彈性基本不受溫度影響。相關論文以題為“Unprecedented non-hysteretic superelasticity of [001]-oriented NiCoFeGa single crystals”發表在國際頂級期刊《Nature Materials》。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0645-4
該團隊前期研究發現，通過增加Co的濃度可以降低Ni55-xCoxFe18Ga27（原子百分比）合金的馬氏體轉變溫度，並且當x≥11時，熱誘導的馬氏體轉變被完全抑制。為了研究不同的Cox合金在拉伸應力下的力學性能，製備了一系列直徑約30-500μm的單晶纖維，具有平行於纖維軸的[001]取向和L21立方奧氏體結構。
研究發現Co6合金的應力-應變曲線具有典型的應力誘導馬氏體相變特性，在加載和卸載平臺之間表現出較大的滯後現象。Co10纖維顯示出狹窄的應力滯後和13％的超彈性應變。隨著Co濃度的增加，平坦區域消失，超彈性應力明顯上升。Co含量≥12的纖維表現出三線性非滯後應力-應變曲線。對於Co20合金，最大非滯後超彈性應變達到15.2％，應力為1.5GPa，斷裂強度超過1.6GPa，伸長率為16.1％，具有極好的可逆性且可重複性超過8000個循環。
圖1 Ni55-xCoxFe18Ga27合金的超彈性行為
通過透射電鏡和中子衍射結果分析發現，由於短程和長程晶體結構的改變，退火溫度對超彈性影響很大。對於Co15，523K退火後，應力從300MPa增加到700MPa，從應力誘導馬氏體相變轉變為非滯後超臨界彈性；對於Co20，隨著退火溫度提高到673K，10%應變下的超彈性應力從750MPa增加到1.3GPa。結構缺陷與原子能級有關，原子尺度有序和無序晶體結構的糾纏，增強了晶體抵抗塑性變形的能力，抑制了一階馬氏體轉變，取而代之的是微觀連續相變。
圖2 NiCoFeGa纖維中超彈性的原位同步加速器表徵
圖3 Co20單晶在不同溫度下的中子衍射測量值
圖4 不同退火溫度下合金的顯微組織和力學行為
由此可見，這種新型無滯後彈性形變起源於應力作用下的晶格連續畸變，顛覆了傳統的應力誘導馬氏體相變理論，打破了這一理論對金屬材料超臨界彈性的限制，從而獲得了具有無滯後的超高彈性金屬材料。這一現象現象的發現為超高彈性功能材料開闢了新方向及應用，為材料超臨界性能研究提供了新的思路，即可以通過材料原子尺度的有序與無序糾纏進而調控某項性能。（文：破風）
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