研究背景：形状记忆合金（SMA）是应用于各种行业的关键功能材料之一。在当今不断增长的智能设备市场和全球对能源效率的追求中，SMA迫切需要降低其密度，尤其是在航空航天任务中，它们可以作为航天器的自部署机器人或阻尼装置。例如。传统的TiNi、Cu和Fe基SMA有望表现出良好的形状记忆效应（SME），然而，它们存在密度过大和严重依赖于织构取向等棘手的问题。另一方面，Mg-Sc SMA具有十分低的质量密度，但其成本较高，目前难以进行大规模工业化生产。相比之下，钛合金由于其高比强度和适中的材料成本，在很多行业中都得到了成熟的应用。然而，到目前为止，由于可回收性差或强度低，钛基SMA的轻量化优势尚未在航空航天工业中得到体现。因此，开发能够承受恶劣条件并从严重变形中恢复的钛基SMA具有十分重要的科学意义。

通常，传统的提高SME的策略在很大程度上依赖于消除晶界来释放马氏体相变的相邻晶粒约束，因此往往希望获得具有特定取向的单晶结构。这反过来又导致随着滑动的早期开始而软化，从而降低合金的强度和可恢复性。此外，具有细晶组织的SMA在拉伸变形过程中易发生脆性和早期失效。为了获得良好的延展性并同时保持优异的SME，人们必须对多晶SMA（如Ti-Nb和Fe-Ni-Co-Al-Ta SMA）进行特殊的处理，以在特定方向上实现强织构特征。然而，这不可避免地会导致性能的严重各向异性，严重限制了其大规模应用。综上所述，高性能、轻质SMA有望在航空航天等各种尖端领域发挥着关键作用，但迄今为止仍很难获得。         

为此，香港城市大学杨涛教授领衔的研究团队在其最新的研究中成功开发了一种新型高性能轻质Ti-12.5V-3.5Al-1Hf-0.8Fe-0.01B（at.%）SMA，其质量密度较低，约为4.73 g/cm³。值得注意的是，与以往研究中主要基于消除晶界或开发所需织构的传统观点不同，本研究中利用通过精心设计的热机械处理引入“晶粒细化“策略，实现了卓越的形状记忆响应和强度-延展性的有机结合。在这种新设计的细晶 SMA 中实现了占主导地位的 β 相结构，并伴有一些穿透晶界的 α” 变体。与粗晶合金（12.5V-UT）相比，细晶合金（12.5V-T）的变形过程变得更加复杂，涉及应力诱导的马氏体相变和额外的重新取向，最终实现了高达 9.3% 的异常大的可恢复应变。此外，研究表明，细晶结构还有助于合金强度的提高，其比屈服强度提高至~159 MPa·m³/kg，同时保持~30%的大拉伸延展性。鉴于其令人印象深刻的结构-功能一体化集成和成本效率，这种新型 SMA 将在有望大规模应用于不同领域中，进而实现先进轻量化的智能设计。相关成果以“Grain refinement induced unusually large shape memory effect in lightweight titanium alloy”为题，于2024年04月20日发表在国际顶尖期刊《Acta Materialia》上。论文通讯作者为香港城市大学杨涛教授，第一作者为J.X. Zhang, 共同通讯作者为香港科技大学T.L. Zhang。其他合作者包括厦门大学S.Y. Yang, 上海交通大学J.L. Wu等。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119936

图文摘要：

图1 热机械训练前后的微观组织    

图2 细晶合金12.5V-T的显微组织

图3 细晶合金12.5V-T的α” 变体行为    

图4 细晶合金12.5V-T在拉伸变形过程中的组织演变

图5 细晶合金12.5V-T出色的形状记忆效应和强韧性结合

图6 新型12.5V形状记忆合金的变形机理