含有B2奥氏体、β-Nb相以及(Ti,Nb)2Ni相的NiTiNb形状记忆合金在高压扭转作用下的非晶化机制

形状记忆合金NiTiNb在HPT处理下的非晶化机制研究。通过高压力扭转揭示B2奥氏体、β-Nb相和（Ti,Nb）2Ni相的差异化变形行为：B2相因强度高塑性适中易形成非晶态，β-Nb相通过位错重组形成亚晶结构，而（Ti,Nb）2Ni相因高强度无法转变。该研究为后续结晶制备纳米晶合金奠定了理论基础。

　　

Bingyao Yan|Shuyong Jiang|Shiji Gao|Tao Wang|Zhongkai Ren|Dong Sun|Hao Feng|Peng Lin

教育部先进金属复合材料成形技术与装备工程研究中心，太原理工大学，太原，030024，中国

摘要

本研究探讨了NiTiNb形状记忆合金在高压扭转（HPT）作用下的严重塑性变形（SPD）现象。该合金包含B2奥氏体、β-Nb相和(Ti,Nb)₂Ni相。研究了驱动非晶化的微观过程，发现各相在HPT过程中的表现不同：B2奥氏体基体中会发生应力诱导的马氏体转变；随后马氏体通过位错滑移发生非晶化，并形成初级和次级剪切带，这得益于其较高的强度和一定的塑性。β-Nb相由于强度较低但塑性较高，难以发生非晶化；而(Ti,Nb)₂Ni相由于强度过高且缺乏塑性，也无法发生非晶化。本研究为通过后续退火实现NiTiNb形状记忆合金的纳米化提供了理论基础。

引言

众所周知，基于NiTi的形状记忆合金（SMAs）因其形状记忆效应和超弹性等特性，在工业领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。在所有NiTi基SMAs中，三元NiTiNb SMAs由于β-Nb相对马氏体形成和生长的抑制作用，其马氏体转变起始温度（M_s）较低。此外，随着Nb含量的增加，M_s温度逐渐降低[4]。因此，具有较大转变滞后温度的NiTiNb SMAs成为制造SMA管接头的优选材料。

先前的研究表明，纳米化的NiTi基SMAs具有优异的热循环稳定性、良好的生物相容性和出色的耐腐蚀性，因此受到了更多关注[5]、[6]。通常，通过在一定热处理下施加严重的塑性变形（SPD）来使非晶态NiTi基合金结晶，是制备纳米化NiTi基SMAs的常用方法[6]、[7]、[8]、[9]。因此，非晶化是制备纳米化NiTi基SMAs不可或缺的中间步骤。研究人员采用了多种SPD方法来研究NiTi基合金的非晶化，包括冷轧[10]、[11]、局部压缩[8]、[12]、[13]、冷拔[14]、[15]、激光冲击处理[16]和高压扭转（HPT）[17]、[18]、[19]。其中，HPT方法是在样品高度方向施加压缩应力，同时通过摩擦力径向引入扭转应变[20]。HPT结合了高压静水和累积的剪切应变，不仅容易引发SPD和非晶化，还能有效抑制裂纹的产生，适用于难以变形的材料[20]、[21]、[22]。因此，HPT被认为是制备非晶材料的最有效技术之一，并已成功应用于NiTi基SMAs。Gurau等人发现，高速HPT可使NiTi合金的晶粒显著细化，当等效应变达到ε=3时，合金硬度从184 MPa提高到438 MPa[23]。Sergueeva等人观察到，在5 GPa的压力下，Ni-49.38 at.% Ti合金完全但处于亚稳态的非晶化，随后部分区域结晶为纳米结构，拉伸强度达到1700 MPa[24]。Peterlechner等人阐明了HPT诱导的非晶化机制：马氏体中的孪晶界阻碍了位错运动，导致位错密度增加，最终在扭转作用下转变为非晶态[25]。文献综述显示，关于HPT的研究主要集中在二元NiTi SMAs上，对三元NiTi SMAs的应用研究较少。实际上，一些三元NiTi SMAs（如NiTiCu、NiTiFe和NiTiNb）在多个领域具有重要的工程应用[26]、[27]、[28]。特别是NiTiNb SMA在HPT诱导非晶化方面的研究尚未充分展开。

因此，阐明其在此类SPD下的非晶化行为是未来开发高性能纳米化NiTiNb合金的关键步骤。本研究的新发现是：NiTiNb SMAs在HPT作用下发生非晶化，且各组成相在非晶化过程中的作用机制得到了进一步揭示。具体而言，所研究的NiTiNb合金包含B2奥氏体、β-Nb相和(Ti,Nb)₂Ni相，这些相在HPT诱导的非晶化过程中各自发挥着不同的作用，这些现象在文献中尚未被报道。

材料与方法

本实验使用了通过热轧获得的NiTiNb SMA棒材，其化学组成为Ni₄₇Ti₄₄Nb₉

NiTiNb样品的初始微观结构

图2展示了热轧NiTiNb SMA的初始微观结构。根据图2(a)的明场（BF）图像以及图2(b-d)中区域B、C和D的选区电子衍射（SAEDP）结果，确认存在B2奥氏体、β-Nb相和Ti₂Ni型晶体结构的相。图2(e)提供了图2(a)中所示区域的高角环形暗场（HAADF）图像，图2(f-h)进一步展示了...

结论

• (1)
  在本研究中，含有B2奥氏体、β-Nb相和(Ti,Nb)₂Ni相的NiTiNb SMA样品在HPT作用下发生SPD。随着塑性应变的增加，NiTiNb SMA的非晶化程度加剧。可以观察到B2奥氏体、β-Nb相和(Ti,Nb)₂Ni相之间存在明显的界面。此外，这三相之间的相互作用为NiTiNb合金在HPT下的非晶化提供了重要基础。
• (2)
  B2奥氏体、β-Nb相和(Ti,Nb)₂Ni相

未引用参考文献

[46]; [47]

CRediT作者贡献声明

Peng Lin：研究工作。Dong Sun：研究工作。Hao Feng：研究工作。Bingyao Yan：撰写初稿、方法学设计及研究工作。Tao Wang：研究工作。Zhongkai Ren：研究工作。Shuyong Jiang：撰写、审稿与编辑工作、指导工作。Shiji Gao：研究工作、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52275363和52405404）和山西省基础研究计划（项目编号202203021212283）的支持。