冷轧及后续退火制备的NiTiNb形状记忆合金薄带的显微组织演变与力学行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural evolution and mechanical behavior of NiTiNb shape memory alloy thin strips fabricated by cold rolling and subsequent annealing

　　

NiTiNb形状记忆合金（SMA）薄带通过冷轧和后续退火制备，并进一步阐明了显微组织演变与力学行为之间的关系。结果表明，NiTi基体与β-Nb相之间的变形协调性主导了冷轧过程中的剧烈塑性变形，其中位错滑移首先在β-Nb相中激活，这是因为其屈服强度较低。然而，β-Nb相难以发生非晶化，而NiTi基体更容易转变为非晶态。剪切主导的变形对于触发非晶化至关重要，这已通过非晶带的形成得到证实。在退火过程中，非晶区域经历温度依赖的纳米晶化过程。随着变形量的增加，位错的连续增殖和非晶区域的扩展提高了冷轧薄带的抗拉强度。然而，在极小厚度下过度非晶化抑制了位错滑移，导致强度降低。退火降低了抗拉强度但提高了延伸率，而厚度为0.15 mm的NiTiNb薄带因其较高的纳米晶粒体积分数而表现出显著的尺寸效应。

论文解读：NiTiNb形状记忆合金薄带的冷轧与退火组织-性能关系

NiTi基形状记忆合金（SMA）因具有低杨氏模量、优异的形状恢复能力和超弹性，在生物医学植入物、驱动系统和吸能部件等领域应用广泛。在二元NiTi中添加Nb元素形成NiTiNb合金，可显著拓宽热滞后，从而增强其在管接头连接等工程领域的适用性。然而，NiTi基SMA变形抗力高、室温塑性有限，传统制造主要依赖热加工，但热加工不可避免地引起动态再结晶和晶粒粗化，降低位错密度，限制强化效果；同时高温下钛的化学活性高，易导致表面氧化和氧污染，降低表面质量，产品合格率低。已有研究表明β-Nb相的形态和分布影响变形机制，但冷轧过程中β-Nb相与B2-NiTi基体的变形相互作用，特别是β-Nb对应变局部化和变形诱导非晶化的调控作用仍不清楚。为此，研究人员开展了本项研究，旨在系统阐明冷轧及退火过程中NiTiNb薄带的显微组织演变及其对力学行为的影响。

研究人员采用室温冷轧及后续退火工艺，成功制备了最小厚度为0.15 mm的Ni47Ti44Nb9（at%）形状记忆合金薄带，系统研究了连续冷轧过程中的显微组织演变以及不同退火温度对最终组织的影响，并探讨了组织与力学性能的关系。研究发现，剪切主导的塑性变形促进NiTi基体非晶化，而β-Nb相保持晶体结构；退火促使非晶区域发生温度依赖的纳米晶化。随着变形量增加，位错增殖和非晶区域扩展提高冷轧薄带抗拉强度，但过度非晶化导致强度下降；退火降低强度但提高延伸率，0.15 mm薄带因较高的纳米晶体积分数表现出显著的尺寸效应。该研究为NiTiNb合金薄带的冷轧成形及组织-性能调控提供了理论依据。论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

研究采用的关键技术方法如下：原始Ni47Ti44Nb9（at%）合金棒材（直径20 mm）由西安赛特材料开发有限公司制造，经电火花加工切割成约150 mm×18 mm×0.6 mm矩形片，通过室温连续冷轧获得0.45、0.30和0.15 mm厚薄带，部分样品在350、400、450 °C真空退火2 h。利用光学显微镜（OM）和透射电子显微镜（TEM）表征显微组织，通过选区电子衍射（SAEDP）分析相结构，采用高角环形暗场（HAADF）和能谱（EDS）元素分布图分析成分分布。力学性能通过万能试验机进行拉伸测试，应变速率为0.005 s^-1，并使用引伸计保证应变精度；采用扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌。

3.1 轧制态NiTiNb样品的显微组织演变
通过OM和TEM观察发现，原始NiTiNb合金呈树枝晶形貌，由浅色B2奥氏体相和深色β-Nb相组成，β-Nb相呈网状分布于NiTi基体晶界。随着轧制压下率从25%增至75%，NiTi基体和β-Nb相沿轧制方向拉长并减薄，形成层状结构；75%压下率时出现大量剪切带，部分呈“X”形或45°角分布。TEM分析表明，25%压下率时NiTi基体内出现变形带和局部非晶化；50%时非晶化加剧，出现非晶相、粗晶和纳米晶共存；75%时形成非晶带，并发现应力诱导B19'马氏体，而β-Nb相始终保持晶体结构，表明其难以非晶化。

3.2 退火态NiTiNb样品的显微组织演变
对0.15 mm薄带在不同温度退火后发现，350 °C退火后出现局部纳米晶化区域，晶界不清晰；400 °C退火后纳米晶化均匀化，平均晶粒尺寸约35.5 nm；450 °C退火后纳米晶长大至约52.3 nm，晶界清晰。所有退火样品中NiTi基体仍为B2奥氏体相，无马氏体相。随着退火温度升高，变形带宽度增加。

3.3 NiTiNb样品的力学性能
拉伸测试显示，冷轧薄带的抗拉强度（UTS）随厚度从0.6 mm减至0.3 mm而显著提高（由578.3 MPa升至1426.8 MPa），但进一步减至0.15 mm时强度降至1241.1 MPa，延伸率则单调下降（从50.4%降至8.9%）。断口分析表明，0.45 mm薄带以微孔聚集型韧性断裂为主，0.15 mm薄带出现更多微裂纹，脆性断裂特征增加。经400 °C退火后，薄带强度较冷轧态下降，但延伸率提高，例如0.3 mm薄带UTS为961.2 MPa，延伸率改善；0.15 mm薄带仍表现出尺寸效应。退火态断口的韧窝更深、更多，表明塑性提高。

讨论部分指出，冷轧过程中β-Nb相作为软相优先发生位错滑移，位错在界面处缠结并促进NiTi基体非晶化；剪切变形是形成非晶带的关键。退火使非晶相发生纳米晶化，晶粒尺寸随温度升高而增大。尺寸效应在极薄厚度下主导力学行为。研究结论如下：（1）剪切主导的塑性变形促进了B2-NiTi基体在轧制过程中的非晶化，而β-Nb相因其独特的变形能力而保持晶体结构。由于屈服应力较低，位错滑移首先在β-Nb相内激活。虽然β-Nb相表现出很强的抗非晶化能力，但NiTi基体更易发生非晶转变。剪切主导的塑性变形是触发轧制过程中NiTiNb合金非晶化的必要条件，这可从非晶带的形成得到证实。（2）通过对变形诱导的异质结构及其退火演变进行表征，揭示了从局部纳米晶化到更广泛纳米晶化和晶粒生长的温度依赖性转变。在350 °C时，非晶基体中的纳米晶核主导转变；在400 °C时，先前形成的纳米晶核长大与剩余非晶相的完全纳米晶化同时发生；当退火温度为450 °C时，纳米晶化过程进一步增强，纳米晶长大并伴随晶粒合并。（3）冷轧态NiTiNb合金薄带中非晶相含量随厚度减小而增加；因此，在400 °C退火后，退火态薄带中纳米晶粒含量随厚度减小而增加。对于冷轧态薄带，随着变形量增加，位错的连续增殖和非晶区域的逐步形成导致抗拉强度稳步提高。对于退火态薄带，抗拉强度降低，但延伸率提高。冷轧态或退火态NiTiNb合金薄带均表现出显著的尺寸效应。