揭示双相非晶-纳米晶NiTi合金塑性与超弹性稳定性的微观机制

《Composites Communications》：Revealing the microscopic mechanisms of plasticity and superelastic stability in dual-phase amorphous-nanocrystalline NiTi alloys

　　

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  位错滑移主导纳米晶NiTi的塑性变形，而剪切转变区控制非晶NiTi的变形。
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  孔洞降低刚度和强度，而非晶填充可恢复模量但抑制逆相变，增加残余应变。
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  卸载后位错消失；残余应变来源于保留马氏体、无序结构和不可逆局部剪切。
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  在纯纳米晶（NC）、含非晶相的纳米晶基体（NC-A）和含纳米晶相的非晶基体（A-NC）中，NC的循环稳定性最佳，NC-A为中等且逐渐退化，A-NC因剪切网络和晶格无序化而最差。

引言

NiTi形状记忆合金凭借其优异的超弹性和形状记忆效应，广泛应用于微机电系统、生物医学支架和航空航天领域[1], [2]。这些功能特性源于热弹性马氏体相变[3], [4]。随着器件微型化和复杂度增加，纳米晶和非晶NiTi合金因其独特的变形和相变机制而备受关注[5], [6], [7], [8]。了解不同基体下的这些机制对于设计高性能材料至关重要。

在此背景下，大量分子动力学（MD）模拟被用于揭示NiTi合金的微观变形。研究[9]表明，纳米晶NiTi的塑性由晶界滑移、无序结构形成和位错增殖主导，且晶粒细化削弱了应变速率硬化。Zhu等[10]发现残余应变随梯度率减小，归因于晶界滑移、位错增殖和残余马氏体。Cui等[11]指出，先前塑性变形使循环滞后趋向位错主导行为，引入的位错阻碍逆相变，导致残余马氏体积累和结构无序化，从而降低超弹性。与纳米晶合金中晶界介导的机制不同，非晶NiTi表现出长程原子无序，其变形由剪切转变区（STZ）的激活和渗流主导，诱导剪切带并显著恶化塑性[12], [13]。

除了基体的本征机制外，制造过程中引入的缺陷（如孔洞）也产生显著影响。Liu等[14], [15]表明，较高的孔隙率提高相变和残余应变温度，降低相变应力，削弱相变的循环抑制效应，并将剪切塑性集中于孔表面。Zhu等[16]阐明了应变速率和晶粒尺寸对含微孔多晶NiTi超弹性的影响；同组[17]进一步揭示了孔数量对相变和位错行为的非单调效应，表明拉长孔均匀化应力并增强相变，而孔分布通过改变应力路径调节相变、位错、无序结构和残余马氏体。Galimzyanov等[18]发现，多孔非晶NiTi表现出比其纳米晶对应物更高的杨氏模量，渗流孔网络在拉伸和剪切下提供优异的弹性阻力，而孤立球形孔则产生更高的压缩强度。Zhou等[19]发现，孔洞抑制非晶NiTi压缩过程中的突然应力跌落，孔周围的高剪切应变区诱导STZ和剪切带；增大孔径降低屈服强度但显著提高塑性。

除了在单一基体中引入缺陷外，增材制造可在NiTi中创造局部化学不均匀性，以克服非晶脆性和纳米晶软化，协同增强强度、塑性和超弹性[20], [21]。然而，将纳米晶和非晶相进行异质复合是一种更具前瞻性的微观结构设计策略。Hua等[22]表明，在NiTi纳米晶-非晶复合材料中，不当的非晶比例会诱导剪切带局部化，而含35%非晶相的纳米层状结构可同时实现4.3%的超弹性应变、2.2 GPa的屈服强度和超过120%的压缩应变，证实合理控制非晶比例和形貌是协同优化超弹性、强度和塑性的核心途径。Ma等[23]揭示，核壳或层状非晶结构通过相变强化、位错强化和阻碍剪切带扩展显著提高压缩强度。Wang等[24]发现，复合材料中的非晶相增加拉伸应力，但其自身塑性变形会降低超弹性并增加不可恢复应变；将非晶层厚度从10 nm减小至5 nm仅将不可恢复应变从1.3%降至0.9%。Zhou等[19]将B2纳米晶相引入非晶基体，发现增加纳米晶相含量可提高界面密度，增强对剪切带的阻挡，拓宽非弹性变形区间并改善塑性。Ko等[25]和Zhu等[26]观察到，非晶表面层可提高马氏体相变的临界应力并抑制位错形核和积累，且需要临界厚度才能有效抑制位错。

上述研究主要关注单调加载-卸载下的力学响应。然而，在实际服役中，NiTi器件受到长期循环加载，循环稳定性对评估实际使用寿命至关重要。该主题的原子尺度研究仍然有限。Hua等[27]发现，纳米晶NiTi微柱在1.2 GPa下可承受超过10⁶次超弹性循环，功能退化集中在前10⁴个循环内，残余应变为3.3%，主要原因是循环相变引入的位错阻碍逆相变，导致残余马氏体积累和残余应力。同组[28]进一步表明，纳米晶-非晶纳米复合材料在1.8 GPa下可实现超过10⁸次可逆循环；超高铁疲劳阻力源于相互增强机制，即非晶相抑制纳米晶相中的位错滑移，而纳米晶相阻碍非晶相中的剪切带扩展。实验研究[29], [30], [31], [32], [33], [34]证实，不可逆内应力和残余应变在循环过程中大量积累，逐渐降低循环稳定性。Wang等[35]进一步指出，循环变形会降低纳米晶NiTi的超弹性，残余应变积累在较小晶粒中更为显著，且塑性变形和间隙原子主要集中在晶界处。

尽管这些研究揭示了变形和相变的许多特征，但在同一框架下对纳米晶和非晶基体的系统对比仍然缺乏。孔洞和异相填充物在原子尺度上影响结构恢复的机制以及高应变塑性变形后残余应变的来源尚不清楚。宏观实验难以捕捉循环加载下异质界面处局部剪切应变的积累和结构退化。

为了在原子尺度上阐明这些机制，本研究设计了一个两阶段MD模拟框架。首先，构建纳米晶和非晶基体，并在各基体中分别引入孔洞或异相，获得六种代表性微观结构模型：纯纳米晶、多孔纳米晶、含非晶相的纳米晶基体（NC-A）、纯非晶、多孔非晶和含纳米晶相的非晶基体（A-NC）。在高应变14%下进行单调拉伸加载-卸载模拟，以系统捕捉各构型在塑性变形期间控制力学行为的微观变形机制。在此基础上，为进一步考察纳米晶-非晶异质界面在循环加载下的适应性，选取三种典型构型——纯纳米晶（NC）、含非晶相的纳米晶基体（NC-A）和含纳米晶相的非晶基体（A-NC），在恒定应力幅值下进行循环加载-卸载模拟。本工作旨在关联微观相变可逆性、局部剪切应变积累和宏观力学退化响应，阐明异质界面如何控制NiTi合金的循环稳定性及其底层微观损伤演化机制，为高性能NiTi复合材料的微观结构优化提供理论基础。

章节摘要

纳米晶基体的构建与非晶相的制备

基于Voronoi算法，使用Atomsk软件构建了一个尺寸为50 × 35 × 6 nm的NiTi纳米晶（NC）模型。Ni:Ti原子比为1:1，模型包含18个晶粒，平均晶粒尺寸约为10 nm。随后通过高温熔淬工艺从该纳米晶模型制备非晶相。原子间相互作用由Ko等[36]开发的2NN MEAM势描述。所有MD模拟均在

14%高应变拉伸加载-卸载下的微观变形机制

如图2(a)所示，应力-应变曲线可分为两类：实线表示纳米晶基体结构，虚线表示非晶基体结构。显然，两类结构在14%的拉伸应变下均经历显著的塑性变形。纳米晶基体结构的应力-应变曲线均表现出典型的超弹-塑性变形特征[45]，经历四个明显阶段：弹性阶段（应变约为

结论

本研究通过MD模拟系统阐明了纳米晶和非晶基体NiTi合金在单调高应变拉伸和循环加载下的微观变形机制和性能演化。主要结论如下：

• (1)
  在高应变条件下，基体类型通过主导变形机制决定恢复能力：纳米晶基体中位错滑移占主导，而非晶基体中不可逆STZ占主导。在

CRediT作者贡献声明

Peng Li：写作–审阅与编辑，经费获取，数据整理。Guansuo Dui：写作–审阅与编辑，方法论。Taowei Liu：写作–审阅与编辑，软件。Bo Zhang：写作–审阅与编辑，监督指导。Xiang Zhu：写作–原稿撰写，验证，经费获取。Liangliang Chu：写作–审阅与编辑，方法论

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由河南省科技攻关项目（项目编号：262102231021, 252102320063）和湖北省自然科学基金–联合基金项目（项目编号：2025AFD125）资助。作者感谢所有为本研究提供帮助的人员。

Taowei Liu|Xiang Zhu|Liangliang Chu|Bo Zhang|Peng Li|Guansuo Dui