英文原题：Two-tier Compatibility of Superelastic Bicrystal Micropillar at Grain Boundary

通讯作者：陈弦, 香港科技大学

作者：Mostafa Karami, Zeyuan Zhu, Zhuohui Zeng, Nobumichi Tamura, Yong Yang, Xian Chen

形状记忆合金和马氏体相变材料在包括生物医疗 (例如人造心脏瓣膜和支架) 在内的多种工程领域起到功能支点的重要作用。在对该类材料的性能和疲劳寿命的研究中，晶体相容性和晶界形态是公认的两大成熟的理论体系。它们各自从特定的角度对马氏体相变的疲劳现象给出深刻的诠释。然而迄今为止对于两种机理耦合作用下的材料行为的理解仍显匮乏。为求在此知识缝隙中取得突破，本文作者们从理论和实验两个角度对铜基形状记忆合金多晶材料进行微纳米力学研究。结果发现，尽管材料的晶格常量远不满足任何晶体相容性条件，但在某些高角度晶界处，双晶CuAl₂₄Mn₉微柱在高驱动应力 (约600 MPa) 的作用下，在过万次应力诱导相变循环后仍保持3.5%的超弹性能，没有出现明显的功能疲劳。这一发现在表面上与传统认知相违背：晶体相容性理论认为，材料的晶格常量必须满足一定的相容性条件才能极大地延缓相变循环导致的功能疲劳；而晶界形态理论则普遍认为尽管晶界锁死效应可以延长相变材料的疲劳寿命，但是要以显著的超弹性弱化 (一般1-2%应变) 为代价。为解释这一“反常”现象，本文作者们提出专门针对相变与晶界耦合作用的双层相容性理论。这一理论在以传统晶体相容性理论解释单一晶粒中孪晶微结构演化的基础上，提出晶界为了限制邻近晶粒中的不同位错在晶界处导致相对滑移，会反作用于邻近晶粒中的孪晶形核，造成“相容性互锁”，同时孪晶的形成还修复了晶界的缺陷，如图1。因而促成在晶界处既有高水平的超弹性能，又能保持长久的疲劳寿命的“反常”现象。这一成果为微纳米尺度形状记忆合金的理性设计开辟新的思路。基于这一新的设计思路，通过现代纳米技术，可以有针对性地设计和制造性能优异的双晶、三晶以及其他复杂的微纳米形状记忆结构。是智能材料和微机械研究领域的一次重大进步。

图 1. 双晶微柱在境界处的孪晶理论计算：(a)-(b)仅满足晶体学相容性的孪晶结构；(c)满足双层相容性的孪晶结构。

该论文近期发表于Nano Letters 上，香港科技大学机械与航空工程系博士生Mostafa Karami为第一作者，其导师陈弦教授为通讯作者。香港城市大学杨勇教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室的Nobumichi Tamura博士参与合作。

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Two-Tier Compatibility of Superelastic Bicrystal Micropillar at Grain Boundary

Mostafa Karami, Zeyuan Zhu, Zhuohui Zeng, Nobumichi Tamura, Yong Yang, and Xian Chen*

Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03486

Publication Date: October 20, 2020

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