这种钛镍合金不简单！强度高且模量低，制造过程也不难

news2024/12/25 9:32:29

大家好，今天我们要来聊聊一种神奇的合金——《A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy》发表于《Nature》。在许多新兴技术中，比如变形飞机和超人型人工肌肉，都需要一种既强又灵活的金属合金。但长久以来，要实现这种“强而灵活”的合金非常困难，因为强度和灵活性之间存在难以调和的矛盾。然而，现在有一种Ti-50.8 at.% Ni应变玻璃合金，或许能为这些技术带来新的突破，让我们一起来了解一下吧。

*本文只做阅读笔记分享*

一、引言

未来技术如变形飞机和超强人工肌肉，需要兼具超高强度和超高灵活性的金属合金，但实现这种 “强而灵活”的合金一直具有挑战性，因为强度和灵活性之间存在不可避免的权衡。

二、现有合金的局限性

强度与灵活性的权衡：钢材强度高但刚度大，有机材料如纤维增强聚合物（FRPs）则相反，这种权衡使得同时具备高屈服强度（σy>1GPa）和低模量（E≈10GPa）的合金难以实现。

现有合金的不足：过去虽有努力，但至今仍未有合金能达到这种理想性能。例如，基于形状记忆合金（SMAs）的几种合金有1GPa级的高强度和E≈30GPa的中等低模量，常规 Mg-Sc应变玻璃合金有E≈20GPa的较低模量但强度σy≈0.3GPa，这些合金仍处于常规的灰色区域内。

三、Ti-50.8 at.% Ni DS-STG合金的独特性能

3.1 超高强度和超低模量的结合：

性能参数：该合金展示了钢一样的超高屈服强度（σy≈1.8GPa）和聚合物一样的超低杨氏模量（E≈10.5GPa），灵活性品质因数σy/E≈0.17，远高于现有结构材料。

案例对比：与典型金属合金（如淬火65Mn弹簧钢、Ti-6Al-4V ELI Ti合金、7021-T62 Al合金和AZ91D Mg合金）和有机材料（如竹子、FRP、PEEK和聚苯硫醚（PPS））相比，具有独特的优势。

3.2 类橡胶的特性：

应力-应变曲线：展示了类橡胶的J形应力-应变曲线，初始模量超低（E≈10.5GPa），可恢复应变超大（εre≈8%），在达到σy≈1.8GPa（线材样品）和σy≈1.3GPa（板材样品）的弹性极限之前，加载-卸载曲线的滞后仅约为 15%。

与其他材料对比：其8%的伪弹性应变不仅远超典型金属合金的小弹性应变（εre≈0.2-1%），也超过许多软有机结构材料（如木材、竹子、骨头、聚合物和 FRP）的可恢复应变（εre≈1-5%）。

3.3 宽温度范围的性能稳定性：

温度范围：其聚合物类超高强度行为可在193K（- 80°C）至353K（80°C）的宽温度范围内保持，覆盖了变形飞机预期经历的航空环境温度范围（- 80°C至70°C）。

性能表现：在此温度范围内，杨氏模量保持类似室温的超低水平（10-16GPa），屈服强度保持超高强度水平（1.8GPa），可恢复应变也保持在6.3%以上的高值。

3.4 优异的高应变疲劳抗性：

对比材料：与其他柔性材料如常规TiNi SMAs和工程聚合物（如PEEK和FRP）相比，具有优异的高应变（定义为最大循环应变超过1.5%）疲劳抗性。

具体表现：在约1.6%的较大应变下，该合金表现出超过5×106周期的显著无疲劳行为，满足变形机翼产生足够大的弯度形状变化（超过6%）的要求。

四、三步热机械制造过程

起始状态：起始固溶处理的Ti-50.8 at.% Ni合金在室温下处于B2母相状态（未冻结的应变玻璃状态），马氏体转变温度Ms≈250为负值，B2状态具有高弹性模量（E≈71GPa）和不完全的超弹性。

第一步处理：通过50%的拉伸伸长对B2合金进行严重变形，得到在室温下保留的变形稳定的B19'马氏体，该马氏体表现出准线性弹性行为，屈服应力约为1.3GPa，弹性模量E≈37GPa。

第二步处理：将变形稳定的B19'马氏体合金在573K下退火10分钟，样品成为具有平均B2结构的独特双交叉应变玻璃（DC-STG），在室温下是未冻结的R应变玻璃（R-STG），在Tg≈251K左右经历应变玻璃转变，并能在较低温度下交叉转变为R和B19'双马氏体。DC-STG状态本身不是低模量状态，具有非线性和滞后的超弹性行为，初始弹性模量约为 33GPa，屈服强度约为1GPa。

第三步处理：对DC-STG合金进行约12%的适度拉伸伸长，在室温DC-STG矩阵中引入少量对齐的R和B19'马氏体双种子（50-100nm大小），形成 “双种子应变玻璃”（DS- STG），该状态赋予合金类聚合物的超低模量（E≈10.5GPa）、类橡胶的 J 形超大可恢复应变（εre≈8%）和窄滞后（约15%）。

五、聚合物类超高强度的起源

原位拉伸XRD实验表明，DS-STG合金在高达1.3GPa的应力加载-卸载循环中，在STG 和R与B19'马氏体之间经历了独特的无核可逆转变。在加载前，DS-STG表现为嵌入少量对齐的R和B19'马氏体种子的DC-STG矩阵，随着应力增加，R和B19'马氏体峰无需临界应力即可平滑增长，整个样品在σ=1.3GPa时几乎完全转变为B19'马氏体。在卸载时，从B19' 到R和B19'的混合物，再到原始DS-STG状态发生平滑的反向转变。这种可逆转变导致了聚合物类的超低弹性模量（E≈10.5GPa）、J形和窄滞后特征的应力-应变曲线，以及8%的大可恢复应变。