文献分享｜单轴变形下 Fe–Mn–Si–Cr–Ni–VC 形状记忆合金的相变行为

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形状记忆合金在拉伸后能够通过加热恢复部分变形，其关键在于变形过程中发生的相变。本文以 Fe–17Mn–5Si–10Cr–4Ni–1(V,C) 合金为对象，结合拉伸–卸载试验、加热回复试验、光学显微镜、扫描电镜和 XRD 分析，研究了不同变形温度下的相变及回复行为。

研究关注的问题

对于 Fe 基形状记忆合金，拉伸会诱导 γ 相向 ε 马氏体相转变；加热时，ε 相可逆转变为 γ 相，从而产生形状回复。

论文关注的是：在不同变形温度下，材料中形成哪些相？相变与塑性变形如何竞争？又如何影响后续的回复应变？

实验结果显示，变形温度会显著影响相组成。

在较低温度下拉伸时，材料中更容易形成 ε 马氏体。样品在 −45 °C 变形后，显微组织中可观察到 γ 相和 ε 相共存；随着变形温度升高，ε 相的形成受到抑制。

当变形温度达到 100 °C 及以上时，α′ 马氏体逐渐出现；在 160 °C 变形后，XRD 中 α′ 相峰明显，而 γ 相和 ε 相的峰基本消失。作者据此指出，较高温度下的变形更容易伴随不可逆塑性变形，而不是形成有利于形状回复的 ε 马氏体。

论文将卸载阶段的可恢复部分定义为伪弹性应变，并考察了其随变形温度的变化。

结果表明，伪弹性应变随变形温度升高先增加、后降低，在约 100 °C 附近达到最大。相比之下，加热后的回复应变则随预应变温度升高而下降；在 160 °C 预应变后，几乎观察不到回复应变。

也就是说，材料在不同温度下的卸载恢复行为与加热恢复行为并不完全一致。作者认为，这与 ε 马氏体形成量、塑性变形以及逆相变条件的变化有关。

论文对不同温度下的应力–应变曲线进行了分析，并分别采用 0.2%、0.1% 和 0.01% 应变准则确定临界应力。

结果显示，采用 0.2% 准则获得的临界应力随温度先升高、后降低，两条线在约 60 °C 相交。作者认为，低温区的 0.2% 临界应力主要与应力诱导马氏体相变有关，而高温区则更多反映不可逆塑性变形的开始。

相比之下，0.01% 准则获得的临界应力与卸载阶段观察到的伪弹性行为更一致。因此，作者建议用 0.01% 准则识别该合金中 ε 马氏体相变的起始条件。

在不同恒定应力下进行加热试验后，作者发现：随着外加应力提高，回复应变减小，回复曲线向更高温度移动。

这说明外加应力会稳定 ε 马氏体，使其更难向 γ 相逆转变。对于 4 MPa 的低应力条件，材料在较低温度下已开始回复，且在约 175 °C 前基本完成；在更高应力下，回复过程则向高温侧推移。

基于应力–应变曲线、加热回复曲线和组织分析，作者提出了该合金的应力–温度相图。

图中将材料行为划分为几个区域：低应力下的 γ + ε 相区域、应力诱导 ε 马氏体相变区域、逆相变区域，以及由不可逆滑移主导的塑性变形区域。正向相变区域位于相变起始线与屈服线之间；逆相变区域则由回复应变曲线确定。

这一相图概括了温度和应力共同作用下的相变路径，也解释了为何低温预应变更有利于获得较大的总相变应变，而高温预应变会削弱后续形状回复。

本文的主要结论可以概括为三点：

作者最终构建的应力–温度相图，为理解 Fe–Mn–Si 基形状记忆合金在单轴加载下的相变和回复行为提供了一个清晰的框架。

来源：OpenSEES抗震笔记

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首次发布时间：2026-08-19

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