β-Nb相非均匀分布对约束马氏体相变的影响机制及其协同强韧化效应

为解决β-Nb相分布对TiNiNb合金马氏体相变（MT）行为的调控难题，研究人员通过轧制变形构建不同β-Nb相形貌的合金体系，发现非均匀分布的β-Nb可降低热诱导/应力诱导马氏体相变临界条件（升温至Ms 温度、应力下降15%），同时通过位错交互与晶粒尺寸效应实现强度-塑性协同提升，为可控TiNiNb合金开发提供新思路。

　　

形状记忆合金（SMA）在航空航天和生物医疗领域具有重要应用价值，其中TiNiNb合金因β-Nb相的引入展现出独特的约束马氏体相变（Confined Martensitic Transformation）特性。然而，传统均匀分布的β-Nb相会显著阻碍马氏体相变（MT），导致相变温度滞后和临界应力升高，限制了材料在宽温域下的超弹性（Superelasticity）表现。如何通过微结构设计平衡β-Nb的强化效应与相变自由度，成为当前研究的核心挑战。

针对这一问题，国内研究人员通过多道次轧制工艺，成功构建了具有跨尺度β-Nb相分布的TiNiNb合金。研究发现，非均匀分布的β-Nb相在截面和纵截面上形成梯度结构：密集β-Nb区域内的NiTi基体呈现纳米晶（平均晶粒尺寸<100nm），而分散β-Nb周围的基体则保持微米晶（1-5μm）。这种独特的"纳米-微米"双尺度结构使材料在冷却过程中，热诱导马氏体相变（Thermally Induced MT）的起始温度（M_s
）较均匀分布样品提高8℃，归因于β-Nb对相变晶格的局部约束减弱。

关键技术方法
研究采用轧制变形（Rolling Deformation）调控β-Nb相空间分布，结合电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向，通过差示扫描量热法（DSC）测定相变温度，并利用原位X射线衍射（XRD）追踪应力诱导马氏体相变（Stress-Induced MT）过程。力学性能测试涵盖室温至200℃的超弹性循环实验。

研究结果

1. 微结构异质性形成机制
   轧制过程中β-Nb相的塑性流动导致其在纵向呈带状聚集，横向呈岛状分散。高密度位错在β-Nb/NiTi界面处诱发动态再结晶，形成纳米晶区。

2. 相变行为调控
   非均匀分布使β-Nb对B2→B19'相变的阻碍作用降低，DSC显示M_s
   温度从-45℃升至-37℃。分子动力学模拟表明分散β-Nb区域更易形成马氏体变体（Variant）。

3. 力学性能优化
   在100MPa应力下，非均匀样品的应力诱导马氏体相变临界应力降低12%，超弹性温度窗口上限扩展至180℃。纳米晶区贡献强度（屈服强度提升20%），微米晶区维持8%的断裂延伸率。

结论与意义
该研究首次揭示β-Nb相空间分布梯度可通过"局部约束释放效应"调控马氏体相变动力学：密集β-Nb区通过晶界强化（Grain Boundary Strengthening）提升强度，分散区域则促进相变协调变形。这种设计策略突破了传统TiNiNb合金强塑性倒置的瓶颈，为开发宽温域超弹性植入器械和航天阻尼器件提供理论依据。相关成果发表于《Materials Characterization》，被审稿人评价为"为多相合金的相变工程（Phase Transformation Engineering）树立了新范式"。