图1 不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAS的本构关系
NiTi形状记忆合金(SMA)因其优异的超弹性、形状记忆效应、生物相容性和耐磨性，已被广泛应用于生物医学、土木工程、汽车工业、航空航天工业等工程领域。虽然已有研究报道了在纳米晶 NiTi SMA中观察到的独特纳米孪晶结构，但晶粒尺寸对孪晶马氏体相变机制的影响尚缺乏深入的认识和探索。针对于此中国民航大学Bingfei Liu等人建立了考虑晶粒尺寸和模型尺寸的本构模型来描述不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi形状记忆合金的应力-应变响应，并通过分子动力学模拟得到了不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi形状记忆合金的应力-应变曲线。通过与本构模型的比较，验证了模拟结果的正确性。然后，通过分子动力学模拟研究了孪晶马氏体相变机制与晶粒尺寸的关系。结果表明，对于小于20 nm的晶粒，温度和应力都不能诱发孪晶马氏体相变。而晶粒尺寸为20和30 nm的模型在相变过程中出现孪晶马氏体。对于20 nm的晶粒尺寸，仅出现一个孪晶面，但是对于30 nm的晶粒尺寸，出现多个孪晶面。孪晶马氏体相变过程中，晶界比例基本保持不变，而相界比例增加。随着晶粒尺寸的增大，孪晶面和相界的比例增加，多个孪晶面的出现与相界的增加密切相关。为了验证模拟得到的应力-应变响应的正确性，研究者建立了不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi形状记忆合金的本构模型。如图1(a)所示，晶粒内(GI)相被认为是嵌入在晶界(GB)基体中的夹杂物，通过复合模型分析了不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAS的本构关系。如图1(b)所示，三维模型被简化为一维链元模型，并且应力被假设为沿着整个链均匀分布。此外，假设一维链元模型中所有晶粒的热力学性质相同。如图1(c)所示。该复合材料模型的总应力-应变响应完全由长度为lg+lgb的代表性体积单元(RVE)的应力-应变响应表征。
图2 多晶NiTi SMAs示意图: (a)多晶聚集体中的GI和GB相；(b)一维链元模型；(c)代表性体积元素。
图2显示了在应力载荷下具有不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAs的应力-应变曲线。与大多数传统合金不同，NiTi形状记忆合金的应力-应变曲线呈S形。在初始状态，大多数模型在零应力下保持B2奥氏体相。随着应力的增加，曲线显示应力和应变之间的线性关系。当应力达到临界值时，B2奥氏体开始向B19ˊ马氏体转变，并且可以清楚地观察到曲线的相变平台。最后，在卸载过程中，发生逆马氏体相变。加载和卸载曲线被组合成滞后曲线，其中封闭的区域代表加载和卸载过程中消耗的能量。但晶粒尺寸为5 nm的模型在外应力作用下仍部分保留了B2奥氏体相，应力-应变曲线没有明显的相变平台。在图2(d)所示的晶粒尺寸为20 nm的模型的应力-应变曲线中，应力下降，然后显示出连续的应力软化。类似地，图2(e)中描绘的晶粒尺寸为30 nm的模型的应力-应变曲线显示应力软化[1]。由于应力加载下奥氏体转变为马氏体，导致材料模量降低，以及应力下降和软化。
图3. 通过模拟和理论计算获得的不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAs的应力-应变曲线:(a) 5 nm；(b) 10 nm; (c) 15 nm; (d) 20 nm; (e) 30 nm
图3为具有五种晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAs的应力-应变响应的理论结果与模拟结果的比较。黑色虚线表示模拟结果，红色实线表示理论结果。可以看出，理论所得的滞后曲线趋势与加载阶段和相变阶段的模拟结果一致。
图4. 不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAs在初始状态和加载、卸载过程后的原子构型
图4显示了在初始状态(0%)、加载后(8%)和卸载后(0%)具有不同晶粒尺寸的纳米晶NiTi SMAs的原子构型。类似于温度诱导相变的发现，晶粒尺寸为10 nm或更大的模型明显经历了马氏体相变。而模型中晶粒尺寸为5 nm的少量奥氏体原子在加载过程中转变为亚稳态原子，然后在卸载过程中恢复为奥氏体原子。卸载后，晶粒尺寸为20和30 nm的模型中仍有部分马氏体残留，增加了残余应变。
图5. 纳米晶NiTi SMAs在加载和卸载过程中的原子微结构放大图:(a) 20 nm; (b) 30 nm
图5为在应力诱导相变期间晶粒尺寸为20和30 nm的模型局部原子微结构。发现了孪晶马氏体和孪晶面，它们在卸载过程中消失了。类似于温度诱发相变过程，在晶粒尺寸为20 nm的样品的晶粒内部仅发现一个孪晶面(图5(a))，而在晶粒尺寸为30 nm的样品的晶粒内部出现多个孪晶面(图5(b))。
此外，研究者发现温度诱发的孪晶马氏体相变机制与应力诱发的孪晶马氏体相变机制相同。相关研究成果以“Molecular dynamics simulation of grain size effect on mechanism of twin martensite transformation of nanocrystalline NiTi shape memory alloys”为题发表在Computational Materials Science上(Volume 210, July 2022, Article number 111451)，论文第一作者为Bingfei Liu，通讯作者为Wenping Wu。
