【摘 要】
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单体态金属纳米线具有超大弹性应变(4-7%)与超高强度,然而,其超常力学性能难以在大块金属复合材料中展现。近来,我们课题组基于纳米线的超大弹性应变与金属基体的点阵切变应变相匹配(应变匹配)的设计概念,成功使Nb纳米线在NiTi记忆合金基体发生应力诱发马氏体相变(B2→B19’)过程中展现超大弹性应变,使其复合材料呈现超常力学性能(Science,2013)。为了进一步证实应变匹配设计概念的普适性,
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单体态金属纳米线具有超大弹性应变(4-7%)与超高强度,然而,其超常力学性能难以在大块金属复合材料中展现。近来,我们课题组基于纳米线的超大弹性应变与金属基体的点阵切变应变相匹配(应变匹配)的设计概念,成功使Nb纳米线在NiTi记忆合金基体发生应力诱发马氏体相变(B2→B19’)过程中展现超大弹性应变,使其复合材料呈现超常力学性能(Science,2013)。为了进一步证实应变匹配设计概念的普适性,我们利用具有超高弹性模量的金属W代替Nb,制备了W纳米带/NiTi记忆合金原位复合材料,研究了W纳米带在相变NiTi基体中的变形行为。另外,我们采用原位高能X射线衍射技术研究了Nb纳米线在NiTi基体先位错滑移塑性变形随后相变变形过程中的变形行为,以及Nb纳米线在NiTi基体经历不同相变路径过程中的变形行为。主要研究内容与结果如下:采用常规冶金方法制备了W纳米带/NiTi记忆合金原位复合材料丝材,发现在丝材样品拉伸加卸载过程中,高模量W纳米带在NiTi基体发生应力诱发马氏体相变过程中展现的弹性应变高达3%,承担的拉伸应力高达11.6 GPa;NiTi基体的应力诱发马氏体相变以吕德斯带方式进行,在吕德斯带结束后,基体中保留约20%的残余母相,表明W纳米带对基体的马氏体正相变具有抑制作用;在卸载伊始,NiTi基体随即发生马氏体逆相变,表明W纳米带的存在显著减小基体的马氏体逆相变滞后。另外,发现NiTi相变基体中W纳米带的弹性应变极限与其厚度之间具有明显尺寸效应,它们之间关系符合幂函数关系。采用常规冶金方法制备了Nb纳米线/NiTi记忆合金原位复合材料丝材,发现在丝材样品拉伸加卸载过程中,NiTi基体发生应变诱发马氏体相变,且以类吕德斯带方式进行;在吕德斯带相变结束后,基体中仅有约10%体积分数的母相发生了应变诱发马氏体相变;在基体发生应变诱发马氏体相变过程中,Nb纳米线的拉伸弹性应变呈现―跳跃式‖增加,弹性应变极限达4.2%;另外,在约10%体积分数的基体发生应变诱发相变过程中,位错滑移塑性变形基体的弹性应变也呈―跳跃式‖增加。采用高能X射线衍射技术检测Nb纳米线/NiTi记忆合金复合材料在降温过程中的演变行为,发现在降温过程中,纳米晶NiTi基体发生了母相向R相变(B2→R),其相变温度区间高达120℃(+30℃→-90℃),Nb纳米线的轴向压应力逐渐减小,表明在NiTi基体发生热诱发R相与B19’相变过程中可有效释放Nb纳米线的轴向压应力。另外,发现在NiTi基体发生应力诱发B2→B19’、B2→R→B19’、B2+R→B19’或R→B19’相变过程中,Nb纳米线均可展现大弹性应变(>3.6%)。但是,因不同相变路径基体与纳米线的耦合作用不同,致使Nb纳米线呈现不完全相同的变形行为。
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