NiTi形狀記憶合金因其獨特的形狀記憶效應和超彈性被廣泛應用于航空航天、工業生産、生物醫療等多個領域，如驅動器、傳感器、血管支架、微創治療器械等。馬氏體相變是形狀記憶合金獨特力學性質的物理基礎，因此馬氏體相變的特征決定了形狀記憶合金的服役性能。近年來，人們進行了大量的探索以期通過調控馬氏體相變的動力學過程來提高形狀記憶合金的力學性質，如通過納米尺度成分波動和預加載控制馬氏體的形核和長大、引入結構性缺陷實現将馬氏體相變轉化為應變玻璃相變、利用納米複合結構中的錯配應力控制馬氏體相變過程、通過調節成分實現連續馬氏體相變等。其中利用沉澱相調節馬氏體相變是一種簡單、經濟、有效的方法，如NiTi合金中Ni₄Ti₃沉澱相的出現會對馬氏體相變的類型、相變溫度、相變路徑等産生顯著的影響。這是因為Ni₄Ti₃沉澱相不僅在周圍基體中引起材料成分非均勻，還會導緻内應力場，并且沉澱相顆粒間距較小時還會對馬氏體相變産生空間限制，這些因素都可能導緻馬氏體相變行為的複雜化。盡管人們很早就發現了Ni₄Ti₃沉澱相對馬氏體相變的影響，但是關于成分非均勻和内應力場哪個因素占主導作用的争論仍懸而未決。此外成分非均勻和内應力場共同作用下馬氏體相變如何發生，相鄰沉澱相顆粒間内應力場的耦合對馬氏體相變有什麼影響也并不清楚。

為此，山東大學土建學院工程力學系朱家明教授，香港理工大學機械工程系石三強教授和俄亥俄州立大學王雲志教授團隊系統的研究了NiTi合金中Ni₄Ti₃沉澱相對B2 ®R馬氏體相變的影響。基于相場模型的三維計算機模拟再現了Ni₄Ti₃沉澱相及其引起的成分非均勻場的演化過程如圖1所示，揭示了成分非均勻與内應力場共同作用下的馬氏體相變過程如圖2所示。對相變驅動力的定量分析（見圖3(a)）表明成分非均勻主導了馬氏體相變的動力學過程，而内應力場通過變體選擇決定了馬氏體疇結構。該研究還揭示了實效時間、初始成分、及相鄰沉澱相顆粒不同位向關系對馬氏體相變的影響（見圖3(b)-(c)）。發現可以通過控制時效的溫度、時間和施加外載來調節沉澱相在基體中導緻的成分分布和内應力場，将一級馬氏體相變轉變為表觀連續相變的同時完成變體選擇，進而實現Invar效應以及其他多種應用。

該工作以“Influence of Ni₄Ti₃ precipitation on martensitic transformations in NiTi shape memory alloy: R phase transformation”為題在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》發表。

論文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421000458

圖1. Ni₄Ti₃沉澱相長大過程中成分非均勻場的演化。(a) 為Ni₄Ti₃ 沉澱相的三維視圖。 (b)-(h) 沉澱相周圍Ni元素濃度場演化過程的二維截面圖，該截面貫穿圖(a)所示的Ni₄Ti₃沉澱相顆粒且平行于晶面。

圖2. 成分非均勻和内應力場作用下B2→R馬氏體相變過程。 (a)和(c)分别是 (g1)-(g8)和 (h1)-(h8)的視角坐标。 (b) 和 (d) 顯示了内應力場對R馬氏體相的變體選擇。 (g1)-(g8) 和 (h1)-(h8) 展示了降溫情況下馬氏體相變過程中的微結構演化。不同的顔色代表不同的馬氏體變體和沉澱相，如(e)所示。

圖3. (a) 沉澱相附近的化學驅動力和内應力貢獻的相變驅動力比較圖。(b)不同時效時間和(c)不同初始成分對馬氏體相變動力學的影響。