增材制造形状记忆合金多尺度顺序强化机制

        在研究者前期开展的关于压缩破坏过程模拟研究中 (A cavity - based micromechanical model for the shear band failure in metallic glasses under arbitrary stress states, JAM 2023)，以压缩或剪切为主导的载荷作用下，材料内部的微观孔隙或空腔等会经历一系列有序的演变过程，即首先会演变成扁平状的微裂纹，随后发生旋转并逐渐伸长形成扭结形态，进而与相邻的微裂纹产生相互作用并最终合并。如果基体材料能够维持较高的加工硬化指数，上述整个演变过程的进展速度将得以显著减缓。

      基于上述研究，本文通过选择性激光熔化增材制造技术，成功研制出具备空间分层和时间连续变形机制的镍钛形状记忆合金，呈现出显著的多尺度强化特性：在百微米尺度上，表现为马氏体相变强化机制；在晶粒尺度层面，呈现出高位错密度（HDI）强化机制；而在纳米尺度范畴，展现出非晶片层强化机制。这三种强化机制依序被激活，进而赋予材料持续的加工硬化能力。基于Tvergaard-Nielsen-Gao模型，本研究进一步细化构建了单轴压缩破坏模型。研究发现，材料的加工硬化能力与压缩破坏延迟之间呈现显著的正相关关系，这一发现为多尺度顺序强化机制提供了理论参考，且将多尺度强化策略可拓展应用于其他合金体系进行全新探索。

图1 NiTi SMA的力学性能和多级。a利用Tvergaard-Nielsen-Gao模型预测破坏时临界应变与应力的关系。b压缩断裂过程中裂纹的演化。c在130 W功率下打印的NiTi SMA压缩应力-应变曲线；上图是三种不同强化机制的示意图，下图是B2/非晶相的原子分布。d本研究中开发的合金与其他高性能NiTi SMA的压缩力学性能比较，包括样品选择性激光熔化 (SLM)，定向能沉积 (DED)，电子束熔化 (EBM)，电弧增材制造 (WAAM)和铸造。e将SLM状态下NiTi形状记忆合金的压缩真应力-应变曲线与其他研究中铸态和SLM制备样品的压缩真应力-应变曲线进行比较。

图2 具有类谐波晶粒结构的NiTi SMA样品的结构表征。选区激光熔化增材制造技术的扫描策略示意图。b晶粒分布示意图及谐波结构形成所对应的温度场。c Rietveld细化了不同打印功率样品的XRD图谱。d说明增材制造功率、扫描速度和粉末层厚度对样品微观结构影响的总结图。e在功率为130w时打印样品的上、侧表面的EBSD图、GND分布图、极子图和反极子图。上表面的颗粒呈谐波结构，而侧表面的颗粒呈“鱼鳞”状分层结构。在细晶粒区附近的NiTi SMA的TEM图像。晶粒尺寸约为300 nm。SAED分析显示为B2相，EDS分析证实无元素偏析，但氧含量在3 at.%左右。GPA和FFE分析表明，在制造条件下有一些位错。g在130 W下打印的NiTi的3D-APT重建，重点关注了a区Ni、Ti和O原子的分布，并绘制了相应的氧元素等值面。

图3 a不同打印功率下试样压缩断裂后的XRD图谱。b断裂试样的TEM图像以及相应的SAED模式。c局部区域的STEM能谱分析。d非晶相与晶相界面处的GPA分析。e不同打印功率下试样压缩破坏后的断口形貌，其图案特征如图1b所示。

作者简介
马虎文，兰州理工大学博士生。研究方向为先进结构材料的变形机制及功能结构调控机理。

赵燕春，兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院教授。研究方向为亚稳态金属材料及及增材制造、异质金属材料功能结构一体化调控机理。

吴渊，北京科技大学新金属材料国家重点实验室和数理学院教授。研究方向为非晶合金、高熵合金的多尺度形变机制与性能优化，新金属材料的纳米析出与相变韧塑化，新金属材料结构-性能关联的原子级精细结构表征。

高雁飞，美国田纳西大学材料科学及工程系教授。研究方向为固体力学、先进结构材料的变形和破坏机制、固态增材制造等。