新型 Ti-Al-Cr 形状记忆合金：兼具轻质高强与宽温超弹性的材料新星

为解决航空航天等领域材料难题，研究人员开发出 Ti75.25Al20Cr4.75形状记忆合金，其性能优异，应用前景广阔。

　　

在航空航天、深空探测以及液化气体存储等前沿领域，材料的性能面临着前所未有的挑战。想象一下，在遥远的太空中，飞行器要穿越极端温度环境，从炽热的太阳附近到寒冷的深空，材料不仅要足够轻盈以减轻飞行器的负担，还要具备强大的功能和抵抗剧烈温度波动的能力。在这样的背景下，传统材料显得力不从心。形状记忆合金（Shape Memory Alloys）因其独特的性能，如高强度、韧性和显著的应变恢复能力，成为了研究的热点。然而，现有的形状记忆合金在保持低质量的同时，在低温环境下有效运行仍是一大难题。

为了攻克这些难题，来自未提及具体第一作者单位的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于开发一种全新的形状记忆合金，以满足这些苛刻的要求。经过不懈努力，研究人员成功合成了一种主要由 Ti 和 Al 组成，化学成分为 Ti75.25Al20Cr4.75的新型合金。该研究成果意义非凡，这种合金在室温下展现出低密度（4.36×10³ kg m^?3 ）和高比强度（185×10³ Pa m³ 每 kg），还具备出色的超弹性（Superelasticity，因可逆应力诱导相变产生的大应变恢复特性），其可恢复应变超过 7%，且这种超弹性在从深低温 4.2 K 到室温以上的广泛温度范围内都能保持。该研究成果发表在Nature子刊等高水平期刊上，为相关领域的材料应用带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过电弧熔炼高纯度的 Ti、Al、Cr 元素，并多次重熔确保成分均匀，随后进行热轧、热处理等一系列工艺得到所需试样。在性能测试上，使用万能拉伸试验机和定制测试仪在不同温度下进行拉伸试验，以测定合金的强度、延展性和超弹性；借助场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）等微观观测技术，对合金的微观结构和晶体结构进行深入分析；利用原位中子衍射技术，在应力作用下研究马氏体相的晶体结构；还采用四探针法、物理性能测量系统（PPMS）等进行电阻率、磁化强度、比热以及弹性常数等物理性能的测量。

室温下的超弹性

研究人员对新开发的 Ti-Al-Cr 合金进行室温下的单轴拉伸加载 - 卸载测试。结果显示，该合金呈现出优异的超弹性，应力 - 应变曲线呈旗形，可恢复应变超过 7.3%，远超基准 Ti-Nb 基合金，与商业 Ni-Ti 合金相当。其临界应力约为 800 MPa，结合低密度，展现出卓越的强度 - 质量特性，比强度达到 185×10³ Pa m³ 每 kg，约为之前轻质形状记忆合金的两倍。同时，该合金室温下延展性良好，极限抗拉强度超过 900 MPa，总伸长率超过 12%。通过原位表面观察和数字图像相关（DIC）技术发现，合金在加载过程中会产生板状形态并传播，对应着应力诱导马氏体相变，这是其超弹性的成因，卸载过程中应变场能完全恢复，表明超弹性的良好恢复性。

结构表征

为探究 Ti-Al-Cr 合金超弹性的原子起源，研究人员对其相转变进行结构分析。TEM 观察发现，母相具有长程有序的 B2 型有序体心立方（BCC）结构，以纳米域形式存在，平均直径约 15 nm，由无序反相边界（APBs）分隔，宽度约 2 nm。原子成像显示，有序纳米域和无序 APB 区域的原子列强度存在差异。通过原位中子衍射方法确定，应力诱导马氏体相为有序正交（B19）晶体结构。基于晶格变形理论计算得出，B2→B19 转变的最大可恢复转变应变在 <001> 压缩下约为 8.7%，在 < 110 > 拉伸下约为 7.6%，与实验观测的最大可恢复拉伸应变相符，证实了其超弹性变形源于这种有序结构之间的马氏体相变。

广泛温度范围内的超弹性

与大多数在室温附近呈现超弹性的形状记忆合金不同，Ti-Al-Cr 合金即使在显著冷却后也不会发生热诱导马氏体相变。研究人员对其在不同温度下的超弹性进行研究，通过在 4.2 - 400 K 温度范围内进行加载 - 卸载单轴拉伸试验发现，该合金在这一宽泛温度区间内均能实现完全超弹性恢复，工作温度窗口至少为 396 K，约为商业 Ni-Ti 合金的五倍。在温度低于 20 K 时，应力 - 应变曲线出现锯齿状，可能是由于马氏体形核、变体生长与位错等缺陷的动态钉扎 - 脱钉相互作用导致，可通过成分调整缓解。该合金转变应力的异常温度依赖性对其超宽工作温度窗口起到关键作用，在约 200 K 以上，转变应力呈正温度依赖性；在较低温度下则呈负温度依赖性，这一现象与其他少数铁磁形状记忆合金类似，但因 Ti-Al-Cr 合金的非磁性，其原因并非磁性作用。

分析与讨论

研究人员运用 Clausius-Clapeyron 关系分析 Ti-Al-Cr 合金转变应力的温度依赖性，发现实际应力 - 应变行为与基于该关系的分析结果存在差异。这表明在研究中需要考虑母相的晶格动力学，尤其是晶格的局部机械不稳定性。测量母相的剪切模量 C′随温度的变化发现，与传统 β 相形状记忆合金不同，Ti-Al-Cr 合金的 C′呈现负温度依赖性，在冷却过程中，C′先在 200 K 左右略有增加，随后在约 70 K 以下迅速上升，4.2 K 时比室温高 22%，说明母相 BCC 晶格对剪切变形的抵抗力增强。同时，研究人员还考虑了晶格非谐性的影响，通过应变扩展非线性参数 b 评估发现，晶格非谐性在冷却至约 100 K 时相对稳定，进一步冷却时减弱，表明低温下晶格机械稳定性增强。虽然实验观测与热力学分析的差异无法完全解释，但温度依赖性 C′和晶格非谐性所暗示的晶格不稳定性与冷却时转变应力的增加有关，可能有助于稳定低温区域母相晶格，拓宽超弹性工作温度范围。

总结与展望

新型 Ti-Al-Cr 形状记忆合金作为轻质、高强、生物相容性好且耐腐蚀的 Ti 合金家族成员，因其宽温度范围的超弹性在众多领域具有广阔应用前景。在星际任务中，如 Artemis I，该合金的高比强度和宽温度范围超弹性使其有望用于深空和深海探索；与其他形状记忆合金相比，它在轻质特性和抗功能疲劳方面表现更优。此外，该合金还具有潜在的医疗应用价值，其较低的杨氏模量（沿某些晶向约 30 GPa）接近人体骨骼，且合金元素含量相对较低，成本更低，环境影响更小。凭借这些优势，Ti-Al-Cr 形状记忆合金为轻质多功能材料的研究和应用开辟了新的道路。