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原创丨米测MeLab
编辑丨风云
长期以来，许多新兴技术，如变形飞机和超人型人造肌肉，都需要具有类似钢的超高强度和类似聚合物的超高柔韧性的外来金属合金。这种非常规的“强而灵活”的特性组合将以低驱动成本实现大的可恢复形状变化，同时提供强大的抗断裂或大载荷下的屈服破坏能力。因此，这种合金将使飞机的变形机翼或人形机器人的超强人造肌肉成为可能。
然而，非常规合金的实现主要存在以下问题：
1、合金的强度和柔韧性之间存在权衡
实现非常规合金不可避免地要在强度和柔韧性之间进行权衡，强度-柔韧性的权衡源于这两种特性与材料的结合强度相反，其大致由弹性模量表示，因此非常规合金的实现具有挑战性。
2、现有的合金所需的类聚合物的超高强度性能仍难以捉摸
在过去的几十年里，研究者们一直在努力寻找同时具有高强度和低模量的金属合金，尽管已经报道了几种基于形状记忆合金(SMAs)，但现有的合金仍然处于传统灰色地带，而所需的类似聚合物的超高强度性能仍然难以捉摸。
有鉴于此，西安交通大学任晓兵、纪元超、马天宇等人报告Ti-50.8 at.% Ni应变玻璃合金具有极高的屈服强度σy≈1.8 GPa，类聚合物的超低弹性模量E≈10.5 GPa，类橡胶的超大弹性应变约为8%。因此，与现有结构材料相比，它具有较高的柔韧性指数σy/E≈0.17。此外，它可以在−80°C至+80°C的宽温度范围内保持这些性能，并在高应变下表现出优异的抗疲劳性能。该合金通过简单的三步热处理制成，可扩展到工业生产线，不仅由于变形强化而具有超高强度，而且由于形成独特的“双晶种应变玻璃”显微结构而具有超低模量，该显微结构由嵌入少量排列的R和B19‘’马氏体”种子的应变玻璃基体组成。原位X射线衍射分析表明，合金的类聚合物变形行为源于加载和卸载过程中应变玻璃与R和B19′马氏体之间的无核可逆转变。这种具有大规模生产潜力的奇异合金可能为许多未来技术开辟新的领域，如变形航天飞行器、超人型人造肌肉和人造器官。
技术方案：
1、展示了DS-STG合金独特的力学性能
Ti-50.8 at.% Ni DS-STG合金兼具超高强度和柔韧性，屈服强度1.8 GPa，杨氏模量仅10.5 GPa，可恢复应变达8%，抗疲劳性能优异，适用于航空航天。
2、展示了DS-STG组织的三步热机械制造路线
作者表面Ti-50.8 at.% Ni DS-STG合金通过三步热处理实现，包括固溶热处理、冷加工和退火，最终形成双晶种应变玻璃结构，该工艺具有普适性。
3、讨论了与DS-STG组织相关的力学性能的来源
作者通过原位XRD表明，超低弹性模量源于独特的DS-STG状态，使应变玻璃与R、B19′马氏体之间发生无核可逆转变；超高强度源于变形强化效应。
技术优势：
1、实现了超高屈服强度与超低杨氏模量的结合
作者展示了Ti-50.8 at.% Ni双晶种应变玻璃(DS-STG)合金，该合金展现出了类似钢的超高屈服强度（σy≈1.8 GPa），同时具有类似聚合物的超低杨氏模量（E≈10.5 GPa），突破了传统材料性能的权衡限制。
2. 获得的合金具有优异的抗疲劳特性
本工作报道的合金表现出的类似聚合物的超高强度行为可以在193 K(−80°C)至353 K(+80°C)的宽环境温度范围内持续存在，这将使其能够应用于航空航天技术，并且与其他柔性材料相比，该合金具有出色的抗疲劳性能。
技术细节
DS-STG合金独特的力学性能
作者首先展示了该合金独特的力学性能。结果表明，Ti-50.8 at.% Ni双晶种应变玻璃(DS-STG)合金实现了超高强度与超低模量的结合，打破了传统材料的强度-柔韧性权衡。该合金具有1.8 GPa的高屈服强度和10.5 GPa的低杨氏模量，展现出类似橡胶的超弹性行为，可恢复应变高达8%。其柔韧性指数σy/E约为0.17，远超现有结构材料。DS-STG合金的这种性能组合，使其在-80°C至80°C的宽温度范围内保持超高强度和柔韧性，具备出色的抗疲劳性能，疲劳寿命超过5×106个循环，无疲劳应变水平满足变形机翼的需求。这种合金的独特性能使其在航空航天等领域具有巨大的应用潜力。
图 类聚合物的超高强度DS-STG合金与典型的金属合金和有机材料比较
图 DS-STG合金在宽温度范围内表现出类似聚合物的超高强度，同时具有优异的高应变抗疲劳性能
三步热机械制造工艺
接着，作者展示了其独特的DS-STG组织的三步热机械制造路线，包括固溶热处理、冷加工和退火处理。起始B2合金经冷加工转变为B19′马氏体，随后在573 K退火形成双交叉应变玻璃(DC-STG)，具有高屈服强度约1 GPa。最后，通过约12%的拉伸，DC-STG合金转变为DS-STG状态，展现出超低模量约10.5 GPa、高屈服强度和类似橡胶的可恢复应变约8%。该合金的微观结构包含高密度位错和B2机械孪晶，这些特征有助于其超高屈服强度。此外，作者证实了三步热机械加工路线适用于不同形状的样品，证明了该工艺在制备具有聚合物般超高强度性能合金方面的普遍适用性，这种简单的处理方法可以扩展到工业生产线。
图 采用三步热处理路线，实现了DS-STG合金
超高强度聚合物的起源
最后，作者讨论了与DS-STG组织相关的力学性能的来源。原位拉伸XRD实验显示，合金在高达1.3 GPa的应力加载-卸载循环中，无需临界应力即可实现STG与R和B19′马氏体之间的无核可逆转变，导致超低弹性模量。DS-STG状态对实现类似聚合物的超低模量至关重要，且对温度变化具有热稳定性。合金的应力-应变曲线呈现J型窄滞后特征，归因于马氏体相变过程中绕过成核屏障。DS-STG合金展现出优异的抗疲劳性能，由于热处理强化作用，疲劳损伤积累被显著延缓或避免。
图 DS-STG合金聚合物样弹性的原位XRD分析
图 Ta≈573 K时DS-STG态的类聚合物超低模量和高可恢复应变
总之，作者采用简单的三步热机械加工工艺制备了类聚合物超高强度金属合金DS-STG。它具有10.5 GPa左右的类聚合物超低弹性模量和1.3-1.8 GPa左右的类钢超高屈服强度，同时具有约8%的大假弹性应变，良好的温度稳定性和优异的高应变抗疲劳性能。这种非传统的合金克服了长期存在的强度和柔韧性之间的权衡，超低弹性模量源于独特的DS-STG状态，使应变玻璃与R、B19′马氏体之间发生无核可逆转变；超高强度源于变形强化效应。这种类似聚合物的超高强度合金可能为变形航天飞行器、超人型人形机器人和人造器官等新兴技术的广泛应用打开大门。工业可扩展的制造路线可能使这种合金的大规模生产成为可能。
参考文献：
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
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原位XRD高低温拉伸装置
02
原位XRD高低温拉伸装置
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