多尺度原位同步辐射揭示冷轧NiTi形状记忆合金的温度依赖性变形动力学

为解决NiTi形状记忆合金(SMA)在热-力耦合作用下的多尺度变形机制不明确的问题，研究人员通过原位同步辐射X射线衍射(XRD)与数字图像相关技术(DIC)，首次实现了宏观应力-应变曲线、介观应变场与微观衍射模式的同步观测。研究发现预存缺陷可促进均匀马氏体相变/重取向，高温(150°C)会抑制相变并弱化Lüders带，为航空航天与生物医用NiTi器件的温度适应性设计提供了理论依据。

　　

【研究背景】
形状记忆合金(SMA)被誉为"智能材料界的魔术师"，其中近等原子比的NiTi合金因其独特的形状记忆效应(SME)和超弹性，在航天卫星展开机构、心血管支架等领域大放异彩。这种神奇特性源于奥氏体(B₂相)与马氏体(B19'相)之间的可逆相变，但温度与缺陷如何调控其变形行为仍是未解之谜。以往研究受限于实验室设备，无法同步捕捉宏观力学响应与微观结构演变，导致对热-力耦合机制的认识存在断层。

【研究方法】
北京某研究团队在同步辐射光源上搭建了独特的多尺度实验平台，对冷轧Ni_50.1Ti_49.9薄板进行25°C/80°C/150°C的原位拉伸测试，结合DIC全场应变测量与XRD衍射分析，首次实现从MPa级应力到纳米级晶格变形的跨尺度关联。通过差示扫描量热法(DSC)确定相变温度窗口(M_s=35.3°C, A_f=62.2°C)，选取涵盖双相区与纯奥氏体区的特征温度。

【研究结果】

1. 应力-应变曲线与应变场映射
   25°C时曲线呈典型S型三阶段：初始弹性段(I)、马氏体重取向平台(II)和硬化段(III)，对应DIC显示均匀应变场；80°C/150°C时曲线退化为两阶段，150°C更出现11%应变前的"伪弹性高原"，应变局部化程度随温度升高而减弱。

2. 温度介导的力学响应机制
   25°C双相区中预存位错促进马氏体变体协同重取向，抑制了传统NiTi中常见的尖锐Lüders带；80°C(>A_f)时应力诱发马氏体相变主导，但高温增大了临界分切应力，导致150°C时相变被显著抑制，衍射图谱中B19'相衍射峰强度降低40%。

3. 马氏体变体择优取向
   XRD极图分析揭示：25°C时(011)_B2织构转变为(100)_B19'择优取向；高温下新生成马氏体变体与加载轴呈55°夹角，这种温度依赖的变体选择行为首次通过原位实验捕获。

【结论与意义】
该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》，通过首创的多尺度原位表征方法，揭示了三个关键机制：①冷轧缺陷可调控马氏体变体协同运动，为开发高均匀性NiTi器件提供新思路；②温度通过改变相变驱动力与临界应力，实现从相变主导到滑移主导的变形模式切换；③建立了织构-温度-变体选择的三元关联模型。这些发现不仅深化了对SMA热-力耦合效应的认知，更为航天器可变翼、智能骨科植入物等需温度适应性的应用提供了精准设计依据。R.C. Pan与Y.W. Shi等特别指出，同步辐射多尺度联用技术将推动智能材料研究进入"全景观测"新时代。