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摘 要：金属材料用于多种场合，根据其用途，需要合适的特性，例如弹性模量和强度等。尤其是人造骨、牙科用材料或机械用高性能弹簧，有时会需要弹性变形特性，通过小的力实现大幅度的伸缩。研究小组在块状单晶铜基合金中实现了比常规实用金属大数倍的弹性变形（弹性应变>4.3%）。实用块状金属材料的弹性应变通常在1%左右或更低，因此本研究成果具有划时代意义。此外，在该合金中，应力与应变的关系为直线的胡克定律不成立，还确认了杨氏模量随着应力的增加而减小的弹性软化现象。这种非线性且巨大的弹性变形颠覆了冶金常识，有望应用于高性能弹簧材料等。
关键字：金属材料、弹性应变、高性能弹簧材料、块状铜基合金、高强度
在块状铜基合金中，发现了超过4.3%弹性应变的大弹性变形，颠覆了冶金常识
在低于25GPa的杨氏模量下，对应变具有低应力弹性，同时实现了高强度，可承受600MPa及以上的拉伸应力并恢复原状
由于其是像橡胶一样的块状金属材料，因此有望用作弹簧等弹性结构材料，或者通过“弹性应变工程”作为智能材料加以应用
目前，世界上许多金属材料构件都用于弹性变形领域。尤其是人造骨、牙科用材料或弹簧等机械部件，其有时需要低杨氏模量和高弹性应变。弹性应变是由于晶格中原子间距离的可逆变化而引起的，虽然理论预测可具有超过10%的弹性应变，但由于强度限制，现实中大多数金属材料的弹性应变都停留在1%以下。而且，通常材料的杨氏模量越低，强度越低。同时实现低杨氏模量和高强度是一大难题。
近年来，通过主动控制晶格应变来提高材料的电导率和催化活性等物理化学性能的“弹性应变工程”备受关注。然而，传统块状金属材料的最大弹性应变极限非常低，无法自由控制晶格应变。因此，亟需开发一种具有大弹性应变的新型块状金属材料。
开发的块状单晶铜基合金
在此背景下，研究小组将目光放在了1990年代开发的以铜为主要成分的“铜-铝-锰合金体系”。该合金体系具有原子排列有序的体心立方结构，其特点在于晶体的弹性各向异性极大。因此，研究小组推测，如果可以通过控制晶体取向来实现低杨氏模量以及通过有序的原子排列来实现高强度，则可以获得大弹性应变。此外，该合金体系通过循环热处理工艺，可以很容易地制作从几厘米到几十厘米的巨大块状单晶材料，并且可以低成本大量生产。
对调整了合金成分和控制了晶体取向、具有<100>取向的块状单晶材料进行室温下的单轴拉伸试验，证实了其出现了超过4.3%的弹性应变（图1）。这次获得的大弹性应变比大多数实用的块状金属材料（包括钢）大四倍以上，且远远超过钛基橡胶金属，后者的弹性应变约为2%（图2）。此外，在该合金的<100>单晶材料中，迄今为止被认为是金属材料常识的胡克定律并不成立，非线性弹性变形行为得到了证实。随着拉伸应力从0增加到600MPa，杨氏模量（切向弹性模量）从最初的约24GPa显著降低至约7.5GPa，并且样品软化而没有塑性变形。
图1 室温拉伸试验的应力-应变曲线
为了解如此大的弹性变形的行为，在J-PARC中心材料和生命科学实验设施中进行了拉伸试验期间的原位中子衍射结构分析。结果表明，该合金中的大弹性应变源于晶格的伸缩，同时保持了晶体中原子排列有序的体心立方结构。这可以说是真正的弹性变形，不同于传统形状记忆合金的晶体相变所涉及的“假弹性变形”，因此，因反复变形而引起的特性劣化较少。
图2 常规块状金属材料的弹性应变极限与杨氏模量的关系及本研究合金的定位
本研究发现的具有较大弹性变形的铜基合金在弹性应变和杨氏模量方面与常规块状金属材料相比具有无可比拟的特性，有望用作高性能弹簧、连接器、密封材料、精密机械和医疗器械等。同时，利用其大弹性变形，还有望通过“弹性应变工程”创造出超越传统设计框架的新产品（例如，应变介导传感器）。今后研究小组将评估该合金的疲劳特性并与企业合作建立实用的量产技术，此外计划将其用于各种用途，例如弹簧材料和传感器材料。
翻译：王宁愿
审校：刘 翔
李 涵
统稿：李淑珊
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