2020年8月9日，康国政教授团队在工程力学顶级期刊《International Journal of Engineering Science》上发表论文“Phase field simulation on the grain size dependent super-elasticity and shape memory effect of nanocrystalline NiTi shape memory alloys”。NiTi形状记忆合金（SMA）作为一种典型的智能材料，由于其独特的热-机械性能（如超弹性和形状记忆效应）而广泛应用于航空航天、汽车、微机电系统、机器人系统、生物医学等领域。NiTi SMAs独特的热-机械性能源自于材料中的一级固-固无扩散型可逆热弹性马氏体相变，该过程中原子发生重排导致晶体结构发生改变并产生应变。晶粒尺寸作为材料在微观尺度最重要的参数之一，会影响NiTi SMAs的超弹性、拉伸强度、杨氏模量、硬度、裂纹扩展和疲劳寿命等诸多力学性能。对NiTi SMAs进行晶粒细化是提高该材料强度，稳定性和抗疲劳性能的有效途径。
近些年，对NiTi SMAs非弹性变形晶粒尺寸效应的实验和理论研究大多关注宏观的应力-应变响应，对相应微结构演化的微观观测关注不多。同时，已有的连续介质模型无法直观描述材料变形过程中的微结构演化，即使微结构演化是影响宏观力学响应的重要因素。此外，这些相关研究大多关注晶粒尺寸对NiTi SMA超弹性效应的影响，而关于其形状记忆效应（单程和双程形状记忆效应）的相关研究还鲜有报导。
为了全面地研究纳米多晶NiTi SMAs超弹性和形状记忆效应的晶粒尺寸相关性，并从微结构演化的角度揭示其微观机理，西南交通大学力学与工程学院康国政教授团队开展了相应的理论和数值模拟工作。
图1 不同晶粒尺寸的纳米多晶NiTi SMA系统
首先，基于经典的Ginzburg-Landau理论，通过引入额外晶界能来改进多晶系统的自由能函数，建立一个可以考虑温度连续变化的二维相场模型；通过求解建立的相场模型中序参量相关的相场动力学方程，模拟纳米多晶NiTi SMAs非弹性变形过程中的微结构演化。随后，通过建立的相场模型分别对应力、温度，以及热-力耦合加载下的不同晶粒尺寸的二维多晶系统进行了模拟，通过模拟所得系统的宏观应力-应变-温度响应和微结构演化来研究晶粒尺寸对纳米多晶NiTi SMA的超弹性，单程和应力辅助双程形状记忆效应的影响。
图2 纳米多晶NiTi SMA超弹性，单程和应力辅助双程形状记忆效应的模拟应力-应变和应变-温度响应
模拟结果表明：超弹性过程中，粗晶粒情形下局部马氏体带形核-扩展与缩减-消失的模式将会因晶粒尺寸的减小逐渐转变为细晶粒下的均匀马氏体相变与逆相变模式；在单程形状记忆效应过程中，随着晶粒尺寸的减小，初始系统内奥氏体含量增加，拉伸-卸载过程中涉及到的非弹性变形机制由马氏体重取向逐渐转变为可逆的马氏体相变；对于恒定应力下的双程形状记忆效应，多晶系统中参与相变的区域占比随晶粒尺寸的减小而减小，在低于某一临界晶粒尺寸后马氏体相变不再发生。进一步分析可见，纳米多晶NiTi SMAs超弹性和形状记忆效应的晶粒尺寸依赖性归因于不可相变的晶界比例随晶粒尺寸的减小而增加，其对晶粒内马氏体相变的抑制作用逐渐增强，即相变壁垒增大。
图3 较粗晶粒的纳米多晶NiTi SMA超弹性，单程和双程形状记忆过程中的微结构演化相场模拟结果
与已有文献相比，本文全面报道了纳米多晶NiTi合金的超弹性，单程和双程形状记忆效应的晶粒尺寸依赖性，充分揭示了这种晶粒尺寸依赖性的微观机制。本文的研究成果可以为采用晶粒细化法制备具有优良热-机械性能的NiTi SMA器件提供重要参考。
该研究受到国家自然科学基金重点项目“形状记忆合金热-力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验和理论模型研究”（No.11532010）的资助。论文作者包括2016级博士研究生徐波（第一作者）、康国政教授和于超副教授，康国政教授为通讯作者。
康国政教授所领导的“材料本构关系和疲劳断裂”研究团队，近年已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《International Journal of Solids and Structures》《International Journal of Engineering Science》和《Acta Materialia》等固体力学与金属材料领域顶级期刊上发表33篇论文，产生了较大的国际学术影响力。
