Atomic scale modeling of the coherent strain field surrounding Ni₄Ti₃ precipitate and its effects on thermally-induced martensitic transformation in a NiTi alloy

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421002639

透镜状的Ni4Ti3是NiTi合金常见的析出相，其与基体一般处于共格接触状态。Ni4Ti3对基体造成的共格应变场被认为是影响马氏体相变的根本原因。本文采用分子动力学模拟，结合Eshelby和相场微弹性理论，研究了不同纵横比Ni4Ti3析出相引起的应变场规律及其对温度诱发马氏体相变的影响。

图1. NiTi合金中不同的纵横比的Ni4Ti3析出相

图2. 析出相纵横比与最大应变的函数关系；析出相纵横比与最大应变所在位置的函数关系

研究发现在随着析出相的纵横比的增加，温度诱发的B19’马氏体出现了不同的自协调结构。自协调结构是由多个B19’的变体通过一定的孪晶关系组合在一起，以减少相变带来的相变应变能。图3展示了本次研究观察到的鱼骨状自协调结构和混合自协调结构（三角自协调结构+鱼骨自协调结构）。通过对这些自协调结构的演化的研究，我们发现混合自协调结构属于三角与鱼骨自协结构的中间态。这种混合自协调B19’被发现是最不稳定的结构，可以用以低热滞微驱动的开发。

图3. B19’的鱼骨状自协调结构（左）及混合自协调结构（右，三角结构+鱼骨结构）

图4. 不同纵横比下B19’自协调结构的演化：纵横比为0.707时的混合自协调结构的演化（上），纵横比为1时的鱼骨状自协调结构的演变（下）。

本次工作总结了学者对于Ni4Ti3析出相造成应变场的研究，通过多种手段确定了共格应变场中最大正应变值及其位置与析出相尺寸的函数关系。首次以原子模拟手段观察到了B19’马氏体相的三角、鱼骨、混合自协调结构，并详细的分析了这些结构的组成及孪生关系，其结果与文献中报道相一致。通过对不同自协调结构的稳定性研究，提出了通过调控Ni4Ti3析出相进而开发新型高灵敏度NiTi微驱动材料的设计思路。