【引言】
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【引言】 【成果简介】 近日，西班牙巴斯克大学Jose M. San Juan（通讯作者）在Nat. Nanotech.上发表了题为“Size effect and scaling power-law for superelasticity in shape-memory alloys at the nanoscale”的文章。该研究团队对Cu-14Al-4Ni (wt%)合金进行研究，该成分合金在室温下具有超弹性行为。通过聚焦离子束（FIB）技术制备了一系列不同尺寸的 [001]微米和纳米微柱，采用纳米压痕仪对微柱进行超弹性纳米压缩试验，提出了纳米尺度下应力诱导马氏体相变的定量评估方法，展示了超弹性效应中临界应力的尺寸依赖性，并建立了原子尺度的弹性模型定量解释了这种现象。 【图文解读】 图一 微米柱的超弹性行为 (a-c) 不同尺寸微米柱的SEM图像：(a) φ=1.35μm; (b) φ=1.1μm; (c) φ=0.9μm; (d-f) 不同尺寸微米柱纳米压缩载荷-深度曲线：(d) φ=1.35μm; (e) φ=1.1μm; (f) φ=0.9μm; (g-i) 不同尺寸微米柱超弹性循环应力-应变曲线：(g) φ=1.35 μm; σc= 184MPa; (h) φ=1.1 μm; σc= 182MPa; (i) φ=0.9μm; σc=187MPa. 图二 微米尺寸微柱的超弹性临界应力及纳米压缩实验的可重复性 (a) 直径大于0.8μm的微柱超弹性临界应力曲线。蓝色菱形点表示应力曲线第一次转折时的应力值；品红色点表示马氏体相变平台应力值；绿色点表示φ=1.7μm , φ=1.6μm, φ=1.55μm 时的应力值（前期工作）；青色环绕的洋红色点表示图b中微柱阵列所示的应力平均值； (b) 用于测试纳米压缩实验可重复性的微柱阵列的SEM图像； (c) 微柱阵列中每个微柱的临界应力。 图三 纳米微柱超弹性行为 (a-c) 不同尺寸纳米微柱的SEM图像：(a) φ=435nm ; (b) φ=335nm ; (c) φ=262nm; (d-f) 第一次超弹性试验的纳米压缩载荷-深度曲线，(f)中的时间尺度表明平台期中马氏体相变的快速响应； (g-i) 应力-应变超弹性循环曲线，分别对应于(d-f)中的载荷-深度曲线。每张图片中展示了超弹性的临界应力 σc，(i)中给出了杨氏模量E[001]=23.5GPa. 图四 超弹性临界应力的尺寸效应 (a) 微米和纳米微柱马氏体相变的临界应力和微柱尺寸的关系，红点表示应力平台值；蓝色菱形表示曲线第一次转折时的应力值；红色方块表示原位试验应力值；青色三角形表示5kV聚焦离子束制备的纳米柱所对应的应力值；连续紫线表示模型的预测； (b) 超弹性循环临界应力和微柱尺寸的关系，蓝线表示纳米压缩试验在第100次循环中达到稳定的状态，将渐近非依赖尺寸效应的应力（165 MPa）视为与尺寸无关的临界应力σ0；灰线表示大块单晶临界应力σB. 图五 纳米尺度超弹性的标度幂律 临界分切应变的尺寸依赖性：红点对应图四(a)所表示的第一个循环；蓝点对应图4b所表示的第100个循环。 图六 原子尺度下超弹性效应的弹性模型 (a) 原子堆垛顺序：奥氏体β(L21)//(101)； (b) 在[101]方向施加应力σap产生弹性位UM移β相的晶格状态，灰色箭头表示马氏体转变时，晶格切变过程中原子的弛豫运动； (c) 平行于[10-1]的原子键弛豫后γ马氏体的晶格状态； (d) 径向应变的尺寸依赖性。 【小结】 该项研究成果表明在形状记忆合金超弹性效应中，应力诱导马氏体相变的临界应力存在显着的尺寸效应，纳米级Cu-Al-Ni合金在进行数千次循环时依然具有良好的超弹性。该项研究结果挑战了应力诱导马氏体相变标度幂律的普适性，并提出了马氏体均匀形核模型，很好地解释了这种尺寸效应。在该项研究的启发下，可设计开发新型的形状记忆合金，有希望用于发展未来新一代的微电子和纳米机械系统，以及可穿戴医疗领域和柔性电子技术中的智能设备。 |
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