| 摘要 | 第4-6页 |
| ABSTRACT | 第6-8页 |
| 英文部分 | 第15-117页 |
| 1 Introduction and background | 第15-37页 |
| 1.1 Conventional shape memory alloys and their properties | 第15-17页 |
| 1.1.1 Shape memory effect | 第16页 |
| 1.1.2 Superelasticity | 第16-17页 |
| 1.2 Martensitic transformation | 第17-22页 |
| 1.2.1 Microscopic picture of martensitic transformation | 第17-19页 |
| 1.2.2 Landau free energy of martensitic transformation | 第19-20页 |
| 1.2.3 Experimental signatures of martensitic transformation | 第20-22页 |
| 1.3 Shape memory alloys at high doping level: strain glass transition | 第22-30页 |
| 1.3.1 What is strain glass transition | 第23-25页 |
| 1.3.2 Free energy landscape of strain glass transition | 第25-27页 |
| 1.3.3 Experimental signatures of strain glass transition | 第27-30页 |
| 1.4 Shape memory alloys at nanoscale: size effect of martensitic transformation | 第30-34页 |
| 1.4.1 Promising properties of shape memory alloys in nanoscale | 第30-31页 |
| 1.4.2 Size effect of martensitic transformation in nanoscale | 第31-33页 |
| 1.4.3 The generality of size effect of ferroic materials | 第33-34页 |
| 1.5 Objectives and structure of this research | 第34-37页 |
| 2 Experimental and simulation techniques | 第37-49页 |
| 2.1 Experimental techniques | 第37-44页 |
| 2.1.1 Sample preparation procedures | 第37页 |
| 2.1.2 Vacuum arc melting furnace | 第37-38页 |
| 2.1.3 Sample heat treatment | 第38-39页 |
| 2.1.4 X-ray diffraction measurement (XRD) | 第39-40页 |
| 2.1.5 Differential scanning calorimetry (DSC) | 第40-41页 |
| 2.1.6 Dynamical mechanical analysis (DMA) | 第41-43页 |
| 2.1.7 Electrical resistivity measurement (ER) | 第43页 |
| 2.1.8 Transmission electron microscopy (TEM) | 第43-44页 |
| 2.2 Simulation techniques | 第44-49页 |
| 2.2.1 Introduction on molecular dynamics simulation | 第44-45页 |
| 2.2.2 Boundary conditions | 第45-46页 |
| 2.2.3 Thermostat and barostat | 第46-47页 |
| 2.2.4 Interaction potentials: embedding atoms potentials | 第47-49页 |
| 3 Strain glass phase diagram of Ti_(50-x)Ni_(50+x) : crossover from martensite to strain glass | 第49-63页 |
| 3.1 Introduction | 第49-51页 |
| 3.2 Experimental procedure | 第51-52页 |
| 3.3 Experimental results | 第52-56页 |
| 3.3.1 Phase transition behavior of pure martensitic Ti_(50)Ni_(50) (x=0) | 第52页 |
3.3.2 Phase transition behavior of Ti_(50-x)Ni_(50+x) at low defect concentration (0| 第52-53页 | |
| 3.3.3 Phase transition behavior of Ti_(50-x)Ni_(50+x) at high defect concentration (x≥1.5) | 第53-56页 |
| 3.4 Phase diagram of Ti_(50-x)Ni_(50+x): crossover from martensite to strain glass and theexistence of a precursor state | 第56-57页 |
| 3.5 Discussions | 第57-62页 |
| 3.5.1 Physical nature of defect-containing ferroelastic/martensitic systems: the dual roleof point defects | 第57-59页 |
| 3.5.2 Origin of the decrease and vanishing of transition entropy in Ti_(50-x)Ni_(50+x) withincreasing excess Ni | 第59-60页 |
| 3.5.3 Origin of the defect-induced negative temperature coefficient in electricalresistivity of Ni-rich Ti_(50-x)Ni_(50+x) | 第60-62页 |
| 3.6 Conclusions | 第62-63页 |
| 4 Dilute behavior of strain glass in Ti_(50-x)Ni_(50+x) (x>=1.5 at%) | 第63-74页 |
| 4.1 Introduction | 第63-64页 |
| 4.2 Experimental procedure | 第64-65页 |
| 4.3 Results | 第65-68页 |
| 4.3.1 The effect of Ni content on the average structure of strain glass | 第65页 |
| 4.3.2 The effect of Ni content on the dynamic mechanical properties of strain glass | 第65-66页 |
| 4.3.3 The effect of Ni content on the freezing temperature of strain glass | 第66-67页 |
| 4.3.4 The effect of Ni content on the electrical resistivity of strain glass | 第67-68页 |
| 4.4 Discussions | 第68-72页 |
| 4.4.1 Excess Ni content on the freezing process of strain glass | 第68-69页 |
| 4.4.2 Excess Ni content induced dilute behavior of strain glass | 第69-70页 |
| 4.4.3 Physical nature of dilute behavior of strain glass: the role of point defect on strainglass transition | 第70-71页 |
| 4.4.4 Dilute behavior of spin glass and ferroelectric relaxor | 第71-72页 |
| 4.5 Conclusions | 第72-74页 |
| 5 Size effect on martensitic transformation of free-standing nanoparticles | 第74-88页 |
| 5.1 Introduction | 第74-75页 |
| 5.2 Simulation procedures | 第75-77页 |
| 5.3 Results | 第77-82页 |
| 5.3.1 Martensitic transformation of large particles | 第77-78页 |
| 5.3.2 Martensitic transformation as a function of particle size | 第78-79页 |
| 5.3.3 Microstructure of martensite phase in nanoparticles | 第79-82页 |
| 5.4 Discussions | 第82-87页 |
| 5.4.1 The transformation property of the surface region of SMAs nanoparticles | 第82-83页 |
| 5.4.2 Martensitic transformation of SMAs nanoparticles: explanation of the core-shellstructure of martensite particles | 第83-84页 |
| 5.4.3 Explanation of the size effect on transformation latent heat | 第84-85页 |
| 5.4.4 Analytical model: explanation of the size effect on transformation temperature | 第85-87页 |
| 5.5 Conclusions | 第87-88页 |
| 6 The effect of surface condition on the size effect of martensitic transformation | 第88-97页 |
| 6.1 Introduction | 第88-89页 |
| 6.2 Analytical models | 第89-91页 |
| 6.2.1 Martensitic transition in nanoscale without external constraint: free surface | 第89-90页 |
| 6.2.2 Martensitic transition in nanoscale with external constraint: coatingnon-transforming layer | 第90-91页 |
| 6.3 Molecular dynamics simulations | 第91-94页 |
| 6.3.1 Simulation procedures | 第91-92页 |
| 6.3.2 Results on the relation between Ms temperature and surface condition | 第92-93页 |
| 6.3.3 The effect of surface condition on transformation kinetics | 第93-94页 |
| 6.4 Comparison between analytical models and molecular dynamics simulations | 第94-95页 |
| 6.5 Conclusions | 第95-97页 |
| 7 Nonhysteretic superelasticity of shape memory alloys at the nanoscale | 第97-106页 |
| 7.1 Introduction | 第97-98页 |
| 7.2 Simulation method | 第98页 |
| 7.3 Results | 第98-102页 |
| 7.3.1 Response of SMAs to external stress field at the nanoscale | 第98-100页 |
| 7.3.2 Evolution of microstructure and principal distortion during loading and unloadingprocesses | 第100-102页 |
| 7.4 Discussions | 第102-104页 |
| 7.4.1 The role of surface on the formation of martensite during loading | 第102-103页 |
| 7.4.2 Explanation on the nonhysteretic superelasticity of SMAs at the nanoscale | 第103-104页 |
| 7.4.3 Application of simulation results – a new method to achieve giant nonhystereticstrain | 第104页 |
| 7.5 Conclusions | 第104-106页 |
| 8 Conclusions and future work | 第106-109页 |
| 8.1 Conclusions | 第106-107页 |
| 8.2 Future work | 第107-109页 |
| References | 第109-115页 |
| Acknowledgements | 第115-116页 |
| Achievements | 第116-117页 |
| 中文部分 | 第117-207页 |
| 1 绪论 | 第117-138页 |
| 1.1 传统形状记忆合金及其性能 | 第118-119页 |
| 1.1.1 形状记忆效应 | 第118页 |
| 1.1.2 超弹性行为 | 第118-119页 |
| 1.2 马氏体相变 | 第119-124页 |
| 1.2.1 马氏体相变的微观图像 | 第119-120页 |
| 1.2.2 马氏体相变的朗道自由能模型 | 第120-122页 |
| 1.2.3 马氏体相变的实验特征 | 第122-124页 |
| 1.3 过量掺杂的形状记忆合金：应变玻璃转变 | 第124-131页 |
| 1.3.1 应变玻璃转变的微观图像 | 第125-127页 |
| 1.3.2 应变玻璃转变的自由能形貌 | 第127-129页 |
| 1.3.3 应变玻璃转变的实验特征 | 第129-131页 |
| 1.4 纳米尺度的形状记忆合金：马氏体相变的尺度效应 | 第131-135页 |
| 1.4.1 形状记忆合金在纳米尺度的突出性能 | 第131-132页 |
| 1.4.2 纳米尺度马氏体相变的尺度效应 | 第132-134页 |
| 1.4.3 铁性材料尺度效应的一致性 | 第134-135页 |
| 1.5 本工作的研究内容和意义 | 第135-138页 |
| 2 实验及模拟方法 | 第138-149页 |
| 2.1 实验方法 | 第138-145页 |
| 2.1.1 样品准备流程 | 第138页 |
| 2.1.2 真空电弧熔炼炉 | 第138-139页 |
| 2.1.3 样品热处理工艺 | 第139-140页 |
| 2.1.4 X射线衍射分析 (XRD) | 第140-141页 |
| 2.1.5 差式扫描量热分析 (DSC) | 第141-142页 |
| 2.1.6 动态力学分析 (DMA) | 第142-143页 |
| 2.1.7 电阻率分析 (ER) | 第143-144页 |
| 2.1.8 透射电子显微分析 (TEM) | 第144-145页 |
| 2.2 模拟方法 | 第145-149页 |
| 2.2.1 分子动力学模拟简介 | 第145页 |
| 2.2.2 边界条件 | 第145-146页 |
| 2.2.3 温度及压力的控制 | 第146-147页 |
| 2.2.4 原子间的相互作用：嵌入原子模型 | 第147-149页 |
| 3 钛镍合金Ti_(50-x)Ni_(50+x)应变玻璃相图：马氏体相变到应变玻璃转变的过渡 | 第149-161页 |
| 3.1 序言 | 第149-150页 |
| 3.2 实验流程 | 第150-151页 |
| 3.3 实验结果 | 第151-155页 |
| 3.3.1 未掺杂马氏体合金Ti_(50)Ni_(50)的相变行为（x=0） | 第151-152页 |
3.3.2 低缺陷浓度Ti_(50-x)Ni_(50+x)合金的相变行为（0| 第152页 | |
| 3.3.3 高缺陷浓度Ti_(50-x)Ni_(50+x)合金的相变行为（x≥1.5） | 第152-155页 |
| 3.4 Ti_(50-x)Ni_(50+x)合金相图：马氏体到应变玻璃的过渡，预马氏体状态的存在 | 第155-156页 |
| 3.5 讨论 | 第156-160页 |
| 3.5.1 缺陷掺杂铁弹马氏体体系的物理本质：点缺陷的双重作用 | 第156-158页 |
| 3.5.2 Ti_(50-x)Ni_(50+x)合金镍元素掺杂导致相变潜热减小以及消失现象的起源 | 第158-159页 |
| 3.5.3 Ti_(50-x)Ni_(50+x)合金体系负温度电阻系数现象的起源 | 第159-160页 |
| 3.6 结论 | 第160-161页 |
| 4 钛镍应变玻璃的稀释行为 | 第161-170页 |
| 4.1 序言 | 第161-162页 |
| 4.2 实验方法 | 第162页 |
| 4.3 实验结果 | 第162-166页 |
| 4.3.1 镍元素含量对应变玻璃平均结构的影响 | 第162-163页 |
| 4.3.2 镍元素含量对应变玻璃动态力学行为的影响 | 第163-164页 |
| 4.3.3 镍元素含量对应变玻璃冻结温度的影响 | 第164-165页 |
| 4.3.4 镍元素含量对应变玻璃电阻率的影响 | 第165-166页 |
| 4.4 讨论 | 第166-169页 |
| 4.4.1 缺陷浓度对应变玻璃冻结行为的影响 | 第166页 |
| 4.4.2 缺陷浓度增加导致应变玻璃的稀释行为 | 第166-167页 |
| 4.4.3 应变玻璃稀释行为的机制:点缺陷对应变玻璃转变的作用 | 第167-168页 |
| 4.4.4 应变玻璃稀释行为与自旋玻璃以及弛豫铁电体稀释行为的比较 | 第168-169页 |
| 4.5 结论 | 第169-170页 |
| 5 无约束纳米颗粒的马氏体相变的尺度效应 | 第170-182页 |
| 5.1 序言 | 第170-171页 |
| 5.2 模拟方法 | 第171-172页 |
| 5.3 结果 | 第172-177页 |
| 5.3.1 直径较大的形状记忆合金颗粒的马氏体相变 | 第172页 |
| 5.3.2 马氏体相变与颗粒尺寸的关系 | 第172-174页 |
| 5.3.3 纳米马氏体颗粒的微观结构 | 第174-177页 |
| 5.4 讨论 | 第177-181页 |
| 5.4.1 形状记忆合金纳米颗粒表面的相变行为 | 第177-178页 |
| 5.4.2 形状记忆合金颗粒的马氏体相变：马氏体壳核结构的起源 | 第178页 |
| 5.4.3 马氏体相变潜热尺寸效应的起源 | 第178-179页 |
| 5.4.4 马氏体相变尺度效应的解析模型 | 第179-181页 |
| 5.5 结论 | 第181-182页 |
| 6 形状记忆合金表面性质对其相变尺度效应的影响 | 第182-189页 |
| 6.1 序言 | 第182-183页 |
| 6.2 解析模型 | 第183-184页 |
| 6.2.1 无表面约束马氏体相变的尺度效应：自由表面 | 第183页 |
| 6.2.2 约束表面马氏体相变的尺度效应：包覆不可相变的原子层 | 第183-184页 |
| 6.3 分子动力学模拟 | 第184-187页 |
| 6.3.1 模拟方法 | 第184-185页 |
| 6.3.2 相变温度与颗粒表面性质的关系 | 第185-186页 |
| 6.3.3 表面性质对马氏体相变微观过程的影响 | 第186-187页 |
| 6.4 解析模型与分子动力学模拟结果之间的比较 | 第187-188页 |
| 6.5 结论 | 第188-189页 |
| 7 纳米尺度形状记忆合金无滞后的超弹性行为 | 第189-196页 |
| 7.1 序言 | 第189页 |
| 7.2 模拟方法 | 第189-190页 |
| 7.3 结果 | 第190-193页 |
| 7.3.1 纳米尺度形状记忆合金的应力应变行为 | 第190-192页 |
| 7.3.2 颗粒压缩过程中的微观结构 | 第192-193页 |
| 7.4 讨论 | 第193-195页 |
| 7.4.1 压缩过程中形状记忆合金表面的作用 | 第193页 |
| 7.4.2 纳米尺度形状记忆合金无滞后超弹性行为的物理本质 | 第193-195页 |
| 7.4.3 模拟结果的潜在应用-一种新的降低形状记忆合金滞后的方法 | 第195页 |
| 7.5 结论 | 第195-196页 |
| 8 结论和展望 | 第196-198页 |
| 8.1 结论 | 第196-197页 |
| 8.2 展望 | 第197-198页 |
| 参考文献 | 第198-204页 |
| 致谢 | 第204-205页 |
| 攻读学位期间取得的研究成果 | 第205-207页 |
