Ni2 MnGa形状记忆合金中形变孪晶与结构孪晶的协同机制及其微观结构演化研究

本研究以Ni2 MnGa铁磁形状记忆合金为模型，通过Hadamard相容性方程揭示了马氏体相变过程中形变孪晶与结构孪晶的协同形成机制，首次提出二者在微观尺度上的不可分割性，并解析了剪切面、滑移方向及应变幅值的定量关系，为智能材料的磁-力耦合调控提供了理论依据。

　　

在智能材料领域，铁磁形状记忆合金（FSMA）因其在磁场或应力场下可产生高达10%的应变而备受关注。Ni₂
MnGa作为典型代表，其马氏体相变过程中形成的孪晶结构是宏观变形响应的微观基础。然而，长期以来学术界对形变孪晶（deformation twin）与结构孪晶（structural twin）的协同作用机制缺乏清晰认知，制约了材料性能的精准调控。俄罗斯科学院的研究团队在《Mechanics of Materials》发表的这项研究，通过建立微观力学模型填补了这一空白。

研究采用Hadamard相容性方程作为核心工具，结合晶体学分析与变分法，构建了描述马氏体孪晶/解孪晶过程的数学模型。关键技术包括：1）基于Bain应变张量（U_i
）的晶体结构表征；2）Landau-Lifshitz-Gilbert方程模拟磁化矢量演化；3）Galerkin变分法求解磁-力耦合边值问题。实验数据验证了理论预测的剪切面取向（N）与滑移方向（τ）的准确性。

马氏体结构特征与结构应变
研究发现，立方-四方相变产生三种Bain变体（U₁
, U₂
, U₃
），其短轴c（易磁化轴）呈90°交错排列形成结构孪晶。这种自协调排列使宏观体积变化趋近于零，但引发微观剪切应变。

孪晶方程的解析解
通过求解Hadamard方程，证实形变孪晶源于马氏体板的简单剪切（simple shear），导致板条特定角度弯折；而结构孪晶由四方晶胞的90°取向差构成。二者必须共存以满足能量最小化条件。

典型孪晶对的定量分析
以(2:1)孪晶为例（图2左），形变梯度张量f=1+γτ?N显示，当剪切量γ=0.22时，理论预测的孪晶界面与实验观测完全吻合。磁各向异性分析表明，c轴取向差异导致孪晶元素对磁场响应存在显著差异。

该研究首次阐明形变孪晶与结构孪晶的共生关系：前者通过剪切应变改变宏观形貌，后者通过晶格重构产生结构应变（structural strain）。当二者空间位置匹配时，应变达到平衡状态。这一发现为设计新型磁控执行器提供了微观结构调控准则，同时发展的变分-晶体学联合分析方法可推广至其他功能材料研究。俄罗斯科学院的这项工作获得该国科学与高等教育部重点资助（协议号075-15-2024-535），标志着在智能材料多场耦合理论领域取得重要突破。