​西安交大《Acta Materialia》：细沉淀物从尖锐马氏体转变为应变玻璃的相场模拟

最近的研究表明了一个有趣的现象，即通过引入纳米析出物，其尖锐的一级马氏体相变 (MT) 可以转变为平滑的应变玻璃化转变，其特征是纳米级马氏体域的缓慢演化。然而，尚不清楚沉淀物如何从根本上改变正常 MT 的性质。

来自西安交通大学和美国俄亥俄州立大学的学者揭示了这种现象的起源，并使用相场模拟探索了与沉淀诱导应变玻璃相关的新特性。本研究的模型和相场模拟表明Ni4Ti3 析出物的形状和尺寸影响几何限制。盘状高密度析出物引起的几何限制对大尺寸马氏体域的生长产生强烈的阻力，并可导致纳米级马氏体域的冻结。当相邻Ni4Ti3 沉淀物之间的 B2袋的平均尺寸低于临界值（~16 nm）时，正常 MT 的雪崩样行为变为平滑的纳米级 MT，过渡滞后几乎为零，这表现出有趣的滞后现象 -在很宽的温度范围内自由超弹性。本研究的结果进一步表明，纳米级 MT 表现出应变玻璃的特征特征。通过沉淀工程，可以将普通 MT 调节和修饰为纳米级 MT，从而获得新的性能。相关文章以“Phase field simulations for the crossover from sharp martensitic transformation into smooth strain glass transition by fine precipitates”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：/10.1016/j.actamat.2022.118634
图 1.B2基体和Ni4Ti3的热力学数据析出。（a） GB2和GNi4Ti3吉布斯自由能在不同温度下的平衡值。（b）不同温度下B2基体与Ni4Ti3的自由能差异。
图 2.Ni4Ti3在不同老化温度（473K-773 K）下Ni51Ti49体系不同时间的演变.（a）0–125 h的微观结构演变，不同的颜色代表Ni4Ti3的不同变体，透明部分代表基质。插图显示了相应老化条件下微观结构的二维横截面（100）平面。（c至d）Ni4Ti3生长和粗化过程中数量和平均体积的变化.
图 3.Ni51Ti49体系在不同时间（0–125 h）在473K-773 K老化后的转变行为。（a）热滞后（Af− Ms）.（b）马氏体起始（Ms）和（c）不同几何系数下的奥氏体终止（Af）温度。
图 4.不同沉淀结构在不同时间（1.25 h、12.5 h和125 h）老化后不同析出物结构引起的几何效应的微观结构演变。 （a）、（c） 和 （e） 表示冷却和加热时马氏体的体积分数，（b）、（d） 和 （f） 分别表现出用红色箭头标记的相关微观结构。
图5.（a）不同Ips在最低温度下马氏体的体积分数和相应的微观组织。（b） 平均尺寸、平均厚度和马氏体结构域数量对 Ips 的依赖性。（c） 弹性能量密度随Ips的变化。（d） 热滞后ΔT和转变温度（Af，Ms）对Ips的依赖性。（e） Ips=16 nm时冷却和加热时马氏体的体积分数和冷却时的微观结构演变。
图6.几何约束下小尺度孪生结构的应变玻璃特征（473 K，12.5 h）。（a）分支ZFC-FC曲线，施加的应力约为10 Mpa。ZFC峰位置（由箭头指示）对应于冻结温度Tg.（b）通过Vogel-Fulcher关系在冻结温度下内摩擦（tanδ）峰的频率分散。（c） 冷却时的马氏体域尺寸分布。（d） 冷却过程中马氏体结构域的数量和平均尺寸的变化。

总之，本研究通过相场模拟研究了通过改变Ni4Ti3沉淀微观结构对NiTi系统中马氏体相变的几何效应。通过改变老化温度和时间可以获得不同的沉淀微观结构。在473K温度下老化12.5小时后，沉淀物结构产生的强烈几何效应可以在较宽的温度范围内诱导具有零热滞后的平滑过渡和具有窄滞后的超弹性。相应的微观结构演变表明，在这种强大的几何效应下，冷却/加载时，纳米级马氏体孪晶结构不断形成。进一步分析表明，几何约束可归因于相邻沉淀之间的颗粒间空间和形成的马氏体的弹性相互作用能。小的空间和大的弹性相互作用能导致强烈的几何效应和平滑的马氏体相变。此外，这种纳米级孪晶结构在不同温度下表现出宽的尺寸分布，导致连续冻结，这类似于应变玻璃转变中纳米级单马氏体变体域的冻结过程。本研究的工作可能会提出一种方法，通过沉淀微观结构工程的几何约束来设计在宽温度范围内具有纤细超弹性的新型形状记忆合金。（文：SSC）