应变率对通过增材制造工艺制备的NiTi合金在准静态拉伸条件下的变形及马氏体相变的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Strain Rate Effects on Deformation and Martensitic Transformation in NiTi Alloys Fabricated by Additive Manufacturing under Quasi-static Tension

本研究采用同步辐射高能X射线衍射技术，探究激光粉末床融合（LPBF）制备的NiTi合金在准静态单轴拉伸下的变形行为与应力诱导马氏体相变（SIMT）特性。结果表明，LPBF-NiTi合金具有共存的?001?A和?110?A晶格取向，其中?110?A晶面对应变率更敏感，其晶格应变和应力演化显著受加载速率影响，而?200?A晶面表现出相对稳定的响应。不同应变率下，合金的相分数演变与位错密度变化密切相关，高应变率加载导致更快的位错累积，但残余奥氏体比例较高。研究揭示了LPBF工艺参数对NiTi合金力学性能和相变行为的调控机制。

　　本研究围绕激光粉末床熔融（LPBF）技术制备的镍钛（NiTi）形状记忆合金（SMA）在不同应变率下的变形行为和应力诱导马氏体相变（SIMT）展开。通过同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）技术，研究人员能够实时监测材料在单轴拉伸过程中微观结构的变化。这一方法为理解NiTi合金在不同力学环境下的响应机制提供了关键数据，尤其对于医疗植入物这类需要精确机械性能和形状记忆功能的应用具有重要意义。

NiTi合金因其独特的形状记忆效应和超弹性特性，长期以来受到学术界和工业界的广泛关注。其在生物医学领域的应用尤为突出，如心血管支架、骨科植入物和牙科矫形器具等。然而，传统的制造工艺在几何形状复杂性和定制化方面存在局限，难以满足个性化医疗设备的需求。因此，LPBF作为一种先进的增材制造技术，为NiTi合金的应用开辟了新的可能性。通过LPBF技术，可以制备出具有复杂几何结构和定制化设计的材料，从而提升其在医疗领域的适用性。

LPBF技术的显著优势在于其能够实现高密度和高精度的制造。该技术通过将激光束聚焦于粉末床上，逐层熔化并固化金属粉末，形成所需的三维结构。这一过程涉及多尺度、多物理场的非平衡熔化和凝固，导致材料内部出现独特的微观结构特征。与传统工艺相比，LPBF制造的NiTi合金在机械性能方面表现出差异，例如更高的压缩和拉伸断裂强度，但较低的断裂应变。此外，LPBF制造的材料在变形过程中通常不会出现Lüders型机制，这一特性对于提高材料的疲劳寿命和可靠性至关重要。

研究发现，LPBF制造的NiTi合金在单轴拉伸过程中表现出明显的织构特征，其中?001?和?110?奥氏体取向共存。这一织构特性是由于在制造过程中，热梯度和激光扫描路径对晶粒生长方向的影响。奥氏体晶粒通常沿着热梯度最大的方向生长，而激光扫描形成的熔池则可能使?110?方向与制造方向对齐。这种织构的存在不仅影响材料的机械性能，还对其在不同应变率下的相变行为产生重要影响。

在不同应变率下，研究揭示了材料的变形机制和SIMT行为的显著差异。具体而言，(110)A晶面对晶格应变和施加应力的变化表现出更高的敏感性，而(200)A晶面则显示出更为稳定的响应。随着应变率的增加，晶格应变的快速上升表明材料内部的位错密度也随之增加。这表明在高速加载条件下，材料的塑性变形和相变过程可能更加活跃，导致更多的位错生成和积累。

进一步分析显示，SIMT行为与晶面的取向密切相关。在施加应力的过程中，奥氏体晶面和马氏体晶面的相变比例以及晶格应变的变化均表现出对不同应变率的依赖性。特别是在高应变率条件下，奥氏体的保留比例较高，这可能与材料内部的热效应和能量耗散机制有关。高应变率导致的局部温度升高可能减缓相变过程，从而增加奥氏体的稳定性。

此外，研究还探讨了不同应变率下位错密度的变化趋势。在高应变率条件下，位错密度在断裂时达到约1.14×101? m?2，这略低于中等应变率下的峰值。然而，由于高应变率条件下的总延伸率较低，位错的积累速度更快。相比之下，在低应变率条件下，位错密度的增加更为缓慢，且整体水平较低。这一发现表明，材料的塑性变形行为在不同应变率下存在显著差异，且位错的生成和分布受到应变率的调控。

在讨论部分，研究指出SIMT行为的应变率依赖性主要源于热效应。在较低的应变率下，材料内部产生的热量（包括潜热释放、塑性耗散和弹性变形）更容易被环境吸收，从而降低相变所需的临界应力。而在较高的应变率下，热量的积累更加明显，导致临界应力的增加。这种现象不仅影响材料的力学性能，还对其在医疗植入物等动态负载环境下的可靠性产生深远影响。

同时，研究还强调了晶面取向对SIMT行为的具体影响。在不同的应变率条件下，(110)A和(200)A晶面表现出不同的响应特征。(110)A晶面对应变率变化更为敏感，其在拉伸过程中显示出较大的晶格应变和应力变化。相比之下，(200)A晶面的应力水平相对稳定，表明其在不同应变率下的相变行为受到更少的影响。这一发现对于优化材料的加工参数和提升其在不同应用环境下的性能具有重要指导意义。

在结论部分，研究总结了几个关键发现。首先，LPBF制造的NiTi合金在准静态拉伸条件下表现出显著的应变率依赖性，高应变率条件下的残余奥氏体量较高。其次，材料的机械响应和相变行为与晶面取向密切相关，(110)A晶面对应变率变化更为敏感，显示出显著的晶格应变和应力变化。第三，SIMT通常伴随着塑性滑移，这一现象在拉伸过程中尤为明显。最后，LPBF制造的材料具有强烈的?001?A和?110?A织构，这些织构特征对滑移系统激活和SIMT行为产生了重要影响。

本研究的结果不仅加深了对LPBF制造NiTi合金在不同应变率下行为的理解，还为材料的进一步优化和应用提供了理论依据。通过揭示晶面取向对相变和变形机制的影响，研究为设计和制造具有特定功能需求的NiTi合金组件提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨不同制造参数对材料织构和性能的影响，以期实现更精准的材料定制和更广泛的应用前景。