《Acta Materialia》亞穩(wěn)β鈦合金中首次發(fā)現(xiàn)兩種反常孿晶！

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　　金屬結(jié)構(gòu)材料

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　　導(dǎo)讀：傳統(tǒng)金屬材料的塑性變形機(jī)理主要為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于具有固態(tài)相變的金屬而言，如馬氏體不銹鋼和亞穩(wěn)β鈦合金，TRIP （應(yīng)力誘發(fā)馬氏體）和TWIP（應(yīng)力誘發(fā)孿晶）效應(yīng)往往與高強(qiáng)高韌性能密切相關(guān)。本文在亞穩(wěn)β鈦合金中首次發(fā)現(xiàn)異常孿晶Type I-{541}β和Type II-<531>β，并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了理論分析和變體預(yù)測(cè)。

　　鈦合金是當(dāng)前重要的一類結(jié)構(gòu)材料，高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的生物相容性等特點(diǎn)使其航空航天和生物醫(yī)療領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。對(duì)多種類型的鈦合金而言，探究其塑性變形機(jī)理，對(duì)于評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)并設(shè)計(jì)新型合金至關(guān)重要。其中，應(yīng)力誘發(fā)α’’馬氏體、應(yīng)力誘發(fā)ω相、變形孿晶{332}<113>和{112}<111>都已在鈦合金的塑性變形組織中被大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)。然而，馬氏體相變的可逆性易造成顯微組織馳豫，這對(duì)于明晰其真實(shí)的塑性變形機(jī)理，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更高性能的相變金屬材料帶來極大難度。

　　近日，廣東工業(yè)大學(xué)楊洋副教授和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所郝玉琳研究員、法國(guó)雷恩國(guó)立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院合作，采用同步輻射X射線衍射和透射電子顯微技術(shù)，以中科院金屬研究所自主研發(fā)的亞穩(wěn)β鈦合金Ti2448合金為例，首次發(fā)現(xiàn)了新型反常孿晶Type I-{541}β和Type II-<531>β，經(jīng)理論分析證實(shí)了這兩種反常β孿晶均為馬氏體孿晶在應(yīng)力松弛后組織回復(fù)后所被動(dòng)形成的（passively formed）。同時(shí)，各類孿晶界面上均存在由應(yīng)力松弛而誘發(fā)的ω相（Stress-release induced ω phase）。相關(guān)論文以題為“Plastic deformation via hierarchical nano-sized martensitic twinning in the metastableβ Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy”發(fā)表在金屬領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上，這是繼Physical Review Letters封面期刊和Acta Materialia等多個(gè)期刊連續(xù)報(bào)道后的又一力作。

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.021

　　在這項(xiàng)工作中，研究人員首先采用高能同步輻射在SXRD譜線中觀察到了近乎完全的應(yīng)力誘發(fā)α’’馬氏體相變，隨后采用采用高分辨透射電鏡觀察變形組織，得到了多層級(jí)的β變形孿晶形貌，具體如下圖所示。

　　Fig.1. (a) Ti2448合金in situ SXRD結(jié)果，(b) 變形5%樣品的TEM結(jié)果顯示出典型復(fù)雜變形組織， (c) 單根變形帶中顯示出具有多層級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu).

　　經(jīng)取向分析并對(duì)多層級(jí)孿晶和界面相進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)變形組織中的單根變形帶實(shí)則包含多個(gè)孿晶組分：(a) 初生孿晶 primary twin， (b) 次生孿晶 secondary twin，(c) 基體matrix，(d) 界面omega相，矛盾之處在于：原位同步輻射觀察到的應(yīng)力誘發(fā)α’’馬氏體相在顯微組織中始終未能探測(cè)到。

　　Fig. 2.Ti2448合金變形組織中典型的hierarchical deformation band解析結(jié)果

　　隨后，研究人員采用基于極射赤面投影圖的取向重構(gòu)方法（crystallographic reconstructing method），對(duì)上圖中單根變形組織中的多個(gè)孿晶組分進(jìn)行了馬氏體孿晶的取向重構(gòu)工作，結(jié)果如下圖。

　　Fig. 3.圖2中各孿晶組分經(jīng)取向重構(gòu)后發(fā)現(xiàn)并證實(shí)：1-卸載狀態(tài)的初生孿晶與次生孿晶為{332}<113>β類型，對(duì)應(yīng)加載狀態(tài)下的{130}<310>α’’類型；2-初生孿晶與基體為{013}<531>β -Type II類型，對(duì)應(yīng)加載狀態(tài)下的{021}<512>α’’ -TypeII類型；3- 次生孿晶與基體為{541}<111>β -Type I類型，加載狀態(tài)下不存在孿晶關(guān)系。

　　最后，研究人員采用Schmid因子進(jìn)行了孿晶變體的理論分析與預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了初生孿晶的析出遵從schmid定律，但是次生孿晶的析出違背Schmid定律，這主要是因?yàn)榇紊鷮\晶優(yōu)先滿足其于初生孿晶之間關(guān)系所致。

　　這項(xiàng)研究中反常孿晶Type I-{541}β和Type II-<531>β的發(fā)現(xiàn)，是對(duì)現(xiàn)存鈦合金塑性變形機(jī)制的補(bǔ)充，研究中所采用的晶格重構(gòu)方法與Schmid因子理論分析方法對(duì)于具有馬氏體相變孿晶的金屬材料塑性變形實(shí)驗(yàn)與理論研究，可以提供借鑒。相關(guān)方法在作者所發(fā)表的其他文章中已有所介紹，可參考如下Acta Materialia, 2015, (88): 25-33；Physical Review Letters, 2016(24): 117；Acta Materialia, 2016, (105): 94-103.（文：Quan~）