《Acta Materialia》亚稳β钛合金中首次发现两种反常孪晶！

不锈***

但对于具有固态相变的金属而言，如马氏体不锈钢和亚稳β钛合金，TRIP （应力诱发马氏体）和TWIP（应力诱发孪晶）效应往往与高强高韧性能密切相关。本文在亚稳β钛合金中首次发现异常孪晶Type I-{541}β和Type II-<531>β，并对其形成机理进行了理论分析和变体预测。　　钛合金是当前重要的一类结构材料，高比强度、良好的耐腐蚀性、优异的生物相容性等特点使其航空航天和生物医疗领域具有重要应用。对多种类型的钛合金而言，探究其塑性变形机理，对于评价、预测并设计新型合金至关重要。其中，应力诱发α’’马氏体、应力诱发ω相、变形孪晶{332}<113>和{112}<111>都已在钛合金的塑性变形组织中被大量实验证实。然而，马氏体相变的可逆性易造成显微组织驰豫，这对于明晰其真实的塑性变形机理，进而设计出更高性能的相变金属材料带来极大难度。　　近日，广东工业大学杨洋副教授和中国科学院金属研究所郝玉琳研究员、法国雷恩国立应用科学学院合作，采用同步辐射X射线衍射和透射电子显微技术，以中科院金属研究所自主研发的亚稳β钛合金Ti2448合金为例，首次发现了新型反常孪晶Type I-{541}β和Type II-<531>β，经理论分析证实了这两种反常β孪晶均为马氏体孪晶在应力松弛后组织回复后所被动形成的（passively formed）。同时，各类孪晶界面上均存在由应力松弛而诱发的ω相（Stress-release induced ω phase）。相关论文以题为“Plastic deformation via hierarchical nano-sized martensitic twinning in the metastableβ Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy”发表在金属领域顶级期刊Acta Materialia上，这是继Physical Review Letters封面期刊和Acta Materialia等多个期刊连续报道后的又一力作。　　论文链接：　　https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.021　　在这项工作中，研究人员首先采用高能同步辐射在SXRD谱线中观察到了近乎完全的应力诱发α’’马氏体相变，随后采用采用高分辨透射电镜观察变形组织，得到了多层级的β变形孪晶形貌，具体如下图所示。　　Fig.1. (a) Ti2448合金in situ SXRD结果，(b) 变形5%样品的TEM结果显示出典型复杂变形组织， (c) 单根变形带中显示出具有多层级的精细结构.　　经取向分析并对多层级孪晶和界面相进行标定，发现变形组织中的单根变形带实则包含多个孪晶组分：(a) 初生孪晶 primary twin， (b) 次生孪晶 secondary twin，(c) 基体matrix，(d) 界面omega相，矛盾之处在于：原位同步辐射观察到的应力诱发α’’马氏体相在显微组织中始终未能探测到。　　Fig. 2.Ti2448合金变形组织中典型的hierarchical deformation band解析结果　　随后，研究人员采用基于极射赤面投影图的取向重构方法（crystallographic reconstructing method），对上图中单根变形组织中的多个孪晶组分进行了马氏体孪晶的取向重构工作，结果如下图。　　Fig. 3.图2中各孪晶组分经取向重构后发现并证实：1-卸载状态的初生孪晶与次生孪晶为{332}<113>β类型，对应加载状态下的{130}<310>α’’类型；2-初生孪晶与基体为{013}<531>β -Type II类型，对应加载状态下的{021}<512>α’’ -TypeII类型；3- 次生孪晶与基体为{541}<111>β -Type I类型，加载状态下不存在孪晶关系。　　最后，研究人员采用Schmid因子进行了孪晶变体的理论分析与预测，验证了初生孪晶的析出遵从schmid定律，但是次生孪晶的析出违背Schmid定律，这主要是因为次生孪晶优先满足其于初生孪晶之间关系所致。　　这项研究中反常孪晶Type I-{541}β和Type II-<531>β的发现，是对现存钛合金塑性变形机制的补充，研究中所采用的晶格重构方法与Schmid因子理论分析方法对于具有马氏体相变孪晶的金属材料塑性变形实验与理论研究，可以提供借鉴。相关方法在作者所发表的其他文章中已有所介绍，可参考如下Acta Materialia, 2015, (88): 25-33；Physical Review Letters, 2016(24): 117；Acta Materialia, 2016, (105): 94-103.（文：Quan~） 钛合金本文由 TA1钛棒   www.ndysteel.com  TA2钛棒 提供