特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
長期以來，許多新興技術，如變形飛機和超人型人造肌肉，都需要具有類似鋼的超高強度和類似聚合物的超高柔韌性的外來金屬合金。這種非常規的“強而靈活”的特性組合將以低驅動成本實現大的可恢復形狀變化，同時提供強大的抗斷裂或大載荷下的屈服破壞能力。因此，這種合金將使飛機的變形機翼或人形機器人的超強人造肌肉成為可能。
然而，非常規合金的實現主要存在以下問題：
1、合金的強度和柔韌性之間存在權衡
實現非常規合金不可避免地要在強度和柔韌性之間進行權衡，強度-柔韌性的權衡源于這兩種特性與材料的結合強度相反，其大致由彈性模量表示，因此非常規合金的實現具有挑戰性。
2、現有的合金所需的類聚合物的超高強度性能仍難以捉摸
在過去的幾十年里，研究者們一直在努力尋找同時具有高強度和低模量的金屬合金，盡管已經報道了幾種基于形狀記憶合金(SMAs)，但現有的合金仍然處于傳統灰色地帶，而所需的類似聚合物的超高強度性能仍然難以捉摸。
有鑒于此，西安交通大學任曉兵、紀元超、馬天宇等人報告Ti-50.8 at.% Ni應變玻璃合金具有極高的屈服強度σy≈1.8 GPa，類聚合物的超低彈性模量E≈10.5 GPa，類橡膠的超大彈性應變約為8%。因此，與現有結構材料相比，它具有較高的柔韌性指數σy/E≈0.17。此外，它可以在?80°C至+80°C的寬溫度范圍內保持這些性能，并在高應變下表現出優異的抗疲勞性能。該合金通過簡單的三步熱處理制成，可擴展到工業生產線，不僅由于變形強化而具有超高強度，而且由于形成獨特的“雙晶種應變玻璃”顯微結構而具有超低模量，該顯微結構由嵌入少量排列的R和B19‘’馬氏體”種子的應變玻璃基體組成。原位X射線衍射分析表明，合金的類聚合物變形行為源于加載和卸載過程中應變玻璃與R和B19′馬氏體之間的無核可逆轉變。這種具有大規模生產潛力的奇異合金可能為許多未來技術開辟新的領域，如變形航天飛行器、超人型人造肌肉和人造器官。
技術方案：
1、展示了DS-STG合金獨特的力學性能
Ti-50.8 at.% Ni DS-STG合金兼具超高強度和柔韌性，屈服強度1.8 GPa，楊氏模量僅10.5 GPa，可恢復應變達8%，抗疲勞性能優異，適用于航空航天。
2、展示了DS-STG組織的三步熱機械制造路線
作者表面Ti-50.8 at.% Ni DS-STG合金通過三步熱處理實現，包括固溶熱處理、冷加工和退火，最終形成雙晶種應變玻璃結構，該工藝具有普適性。
3、討論了與DS-STG組織相關的力學性能的來源
作者通過原位XRD表明，超低彈性模量源于獨特的DS-STG狀態，使應變玻璃與R、B19′馬氏體之間發生無核可逆轉變；超高強度源于變形強化效應。
技術優勢：
1、實現了超高屈服強度與超低楊氏模量的結合
作者展示了Ti-50.8 at.% Ni雙晶種應變玻璃(DS-STG)合金，該合金展現出了類似鋼的超高屈服強度（σy≈1.8 GPa），同時具有類似聚合物的超低楊氏模量（E≈10.5 GPa），突破了傳統材料性能的權衡限制。
2. 獲得的合金具有優異的抗疲勞特性
本工作報道的合金表現出的類似聚合物的超高強度行為可以在193 K(?80°C)至353 K(+80°C)的寬環境溫度范圍內持續存在，這將使其能夠應用于航空航天技術，并且與其他柔性材料相比，該合金具有出色的抗疲勞性能。
技術細節
DS-STG合金獨特的力學性能
作者首先展示了該合金獨特的力學性能。結果表明，Ti-50.8 at.% Ni雙晶種應變玻璃(DS-STG)合金實現了超高強度與超低模量的結合，打破了傳統材料的強度-柔韌性權衡。該合金具有1.8 GPa的高屈服強度和10.5 GPa的低楊氏模量，展現出類似橡膠的超彈性行為，可恢復應變高達8%。其柔韌性指數σy/E約為0.17，遠超現有結構材料。DS-STG合金的這種性能組合，使其在-80°C至80°C的寬溫度范圍內保持超高強度和柔韌性，具備出色的抗疲勞性能，疲勞壽命超過5×106個循環，無疲勞應變水平滿足變形機翼的需求。這種合金的獨特性能使其在航空航天等領域具有巨大的應用潛力。
圖 類聚合物的超高強度DS-STG合金與典型的金屬合金和有機材料比較
圖 DS-STG合金在寬溫度范圍內表現出類似聚合物的超高強度，同時具有優異的高應變抗疲勞性能
三步熱機械制造工藝
接著，作者展示了其獨特的DS-STG組織的三步熱機械制造路線，包括固溶熱處理、冷加工和退火處理。起始B2合金經冷加工轉變為B19′馬氏體，隨后在573 K退火形成雙交叉應變玻璃(DC-STG)，具有高屈服強度約1 GPa。最后，通過約12%的拉伸，DC-STG合金轉變為DS-STG狀態，展現出超低模量約10.5 GPa、高屈服強度和類似橡膠的可恢復應變約8%。該合金的微觀結構包含高密度位錯和B2機械孿晶，這些特征有助于其超高屈服強度。此外，作者證實了三步熱機械加工路線適用于不同形狀的樣品，證明了該工藝在制備具有聚合物般超高強度性能合金方面的普遍適用性，這種簡單的處理方法可以擴展到工業生產線。
圖 采用三步熱處理路線，實現了DS-STG合金
超高強度聚合物的起源
最后，作者討論了與DS-STG組織相關的力學性能的來源。原位拉伸XRD實驗顯示，合金在高達1.3 GPa的應力加載-卸載循環中，無需臨界應力即可實現STG與R和B19′馬氏體之間的無核可逆轉變，導致超低彈性模量。DS-STG狀態對實現類似聚合物的超低模量至關重要，且對溫度變化具有熱穩定性。合金的應力-應變曲線呈現J型窄滯后特征，歸因于馬氏體相變過程中繞過成核屏障。DS-STG合金展現出優異的抗疲勞性能，由于熱處理強化作用，疲勞損傷積累被顯著延緩或避免。
圖 DS-STG合金聚合物樣彈性的原位XRD分析
圖 Ta≈573 K時DS-STG態的類聚合物超低模量和高可恢復應變
總之，作者采用簡單的三步熱機械加工工藝制備了類聚合物超高強度金屬合金DS-STG。它具有10.5 GPa左右的類聚合物超低彈性模量和1.3-1.8 GPa左右的類鋼超高屈服強度，同時具有約8%的大假彈性應變，良好的溫度穩定性和優異的高應變抗疲勞性能。這種非傳統的合金克服了長期存在的強度和柔韌性之間的權衡，超低彈性模量源于獨特的DS-STG狀態，使應變玻璃與R、B19′馬氏體之間發生無核可逆轉變；超高強度源于變形強化效應。這種類似聚合物的超高強度合金可能為變形航天飛行器、超人型人形機器人和人造器官等新興技術的廣泛應用打開大門。工業可擴展的制造路線可能使這種合金的大規模生產成為可能。
參考文獻：
Xu, Z., Ji, Y., Liu, C. et al. A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4
