[论文解读] Manufacturing, processing, applications, and advancements of Fe-based shape memory alloys

Anwar Algamal, Hossein Abedi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2024

Shape Memory Alloy TransformationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本综述全面总结了铁基形状记忆合金（Fe-SMAs）的最新进展，涵盖传统制造与增材制造（AM）工艺、实验表征、计算建模及应用。文章突出展示了Fe-SMAs在成本效益、超弹性及低温稳定性方面的优势，表明其作为镍钛基SMAs的可行替代品，尤其在4D打印和结构应用（如阻尼系统和钢筋混凝土加固）方面展现出广阔前景。

ABSTRACT

Fe-based shape memory alloys (Fe-SMAs) belong to smart metallic materials that can memorize or restore their preset shape after experiencing a substantial amount of deformation under heat, stress, or magnetic stimuli. Fe-SMAs have remarkable thermomechanical properties and have attracted significant interest because of their potential merits, such as cost-effective alloying elements, superior workability, weldability, a stable superelastic response, and low-temperature dependence of critical stress required for stress-induced martensitic transformation. Therefore, Fe-SMAs can be an intriguing and economical alternative to other SMAs. The recent advancements in fabrication methods of conventional metals and SMAs are helping the production of customized powder composition and then customized geometries by additive manufacturing (AM). The technology in these areas, i.e., fabrication techniques, experimental characterization, and theoretical formulations of Fe-SMAs for conventional and AM has been rapidly advancing and is lacking a comprehensive review. This paper provides a critical review of the recent developments in Fe-SMAs-related research. The conventional and AM-based methods of producing Fe-SMAs are discussed, and a detailed review of the current research trends on Fe-SMAs including 4-D printing of Fe-SMAs are comprehensively documented. The presented review provides a comprehensive review of experimental methods and processes used to determine the material characteristics and features of Fe-SMAs. In addition, the work provides a review of the reported computational modeling of Fe-SMAs to help design new Fe-SMA composition and geometry. Finally, different Fe-SMAs-based applications such as sensing and damping systems, tube coupling, and reinforced concrete are also discussed.

研究动机与目标

• 整合并批判性评估铁基形状记忆合金（Fe-SMAs）在制备、加工及表征方面的最新进展。
• 弥补现有文献中对Fe-SMAs传统与增材制造（AM）技术缺乏全面综述的不足。
• 探讨当前研究趋势，包括Fe-SMAs的4D打印技术，及其在结构与功能应用中的潜力。
• 回顾用于设计新型Fe-SMA成分与几何结构的实验方法与计算建模方法。
• 分析实际应用中的表现，如传感、阻尼系统、管接头以及混凝土结构中的加固应用。

提出的方法

• 系统性综述传统与增材制造（AM）技术在Fe-SMA制备中的应用，包括基于粉末的AM技术在定制化几何结构制造中的应用。
• 分析用于测定热机械行为、相变温度及超弹性响应的实验表征方法。
• 评估用于预测马氏体相变行为与材料性能的理论与计算建模框架。
• 整合来自已发表研究的数据，涵盖Fe-SMA成分、加工参数及由此产生的显微结构-性能关系。
• 综合分析基于Fe-SMAs的4D打印技术，其中形状记忆效应由温度等环境刺激驱动。
• 基于成本、可加工性、可焊性及相变稳定性，对Fe-SMAs与镍钛基及其他SMAs进行对比评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前铁基形状记忆合金的先进制造与加工技术，特别是增材制造技术，处于何种水平？
• RQ2 Fe-SMAs的热机械性能与传统镍钛基形状记忆合金相比如何？
• RQ3 利用AM技术实现Fe-SMAs的4D打印面临哪些关键挑战与机遇？
• RQ4 计算模型在预测Fe-SMAs相变行为与力学响应方面的有效性如何？
• RQ5 Fe-SMAs在工程系统中最具前景的结构与功能应用是什么？

主要发现

• Fe-SMAs由于采用铁基合金元素，展现出优异的可加工性、可焊性及成本效益，使其成为镍钛基SMAs在经济上可行的替代品。
• 增材制造技术可实现具有定制成分与几何结构的Fe-SMA部件制造，显著提升设计自由度。
• Fe-SMAs表现出稳定的超弹性响应，且诱发马氏体相变的临界应力对低温的依赖性较低。
• 近期计算建模的进步提升了对相变行为的预测能力，有助于新型Fe-SMA成分的开发。
• 在阻尼系统、管接头及钢筋混凝土加固中的应用，显示出优异的机械性能与能量吸收能力。
• Fe-SMAs的4D打印正成为一种可行路径，可用于制造能响应热或环境刺激而自驱动的智能组件，具备形状记忆功能。