中科院金屬所Nature子刊：β-Ti合金中的馬氏體相變致非晶化機制

?【引言】

通常情況下，液體急冷可以避免結晶，從而獲得非晶合金。此外，非晶態材料可以通過晶態固體轉變得到，此法又稱固態非晶化(SSA)。晶體通過高壓處理、離子或電子輻射、劇烈塑性形變、機械合金化等諸多處理，可全部或部分轉變為非晶態。從熱力學角度來講，固態非晶化可以看作是低于平衡熔點的熔化過程。固態非晶化要產生含有高密度晶格缺陷的亞穩態晶相。冷卻晶態固體時沒有成分改變的固態非晶化（多晶型固態非晶化），稱為可逆熔化（inverse melting），一般通過形核和長大過程產生。然而，在無缺陷晶體持續過熱時，會發生一種不同的罕見的熔化方式——破壞性熔化（catastrophic melting），這種熔化仍未在實驗中觀測到。馬氏體相變是另一種常見現象。在冷卻或變形時，聲子反常伴隨著彈性軟化和晶格切變，引發晶格畸變，現有晶格通過非擴散的位移型轉變，得到一種新晶型。然而，馬氏體相變和破壞性（可逆）熔化的相關聯系仍未有實驗證據，同時缺乏相關機制的研究。

【成果簡介】

近日，中國科學院金屬研究所的張海峰研究員、西安交通大學的任曉兵教授等人在Nature Communications發表了題為“Amorphous martensite in β-Ti alloys”的研究論文，報道了一種新的固態非晶化機制——馬氏體相變致非晶化機制。研究者發現，在冷卻Ti-Zr-Cu-Fe合金時發生馬氏體相變，從而轉變為非晶相。亞穩β相晶粒內部分布著具有特定取向的柳葉狀或者板條狀非晶相，非晶相和β相基體無明顯成分差別，并且在界面處存在明顯的切變臺階以及嚴重的β相晶格畸變。這種非晶相的形態與已報道的固態非晶化明顯不同。

【圖文導讀】

圖1：鑄態Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6塊狀樣品的顯微結構。

(a) X射線衍射圖樣，在β-Ti衍射峰附近，非晶相對應的較寬衍射駝峰狀隆起；

(b) 明場透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示，凸透鏡狀的明亮區域，長軸傾向于沿<110>_β和<001>_β方向，該相位于β-Ti基體中，通常沿<111>_β方向重復多次發生剪切形變；

(c) 更高放大倍數的明場透射電子顯微鏡（TEM）圖像，插圖為透鏡狀區域中心的選區電子衍射圖樣（SAED）；由衍射環可確定非晶相的存在；

(d) c圖標記區域的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像以及插圖經過傅里葉變換后得到的圖像，均清晰表明透鏡狀區域主要為非晶態。

圖2：直徑為8mm的鑄態Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6棒狀樣品的顯微結構細節情況。

(a) 明場透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示，在β-Ti晶粒內部有典型的含有剪切階梯的凸透鏡狀區域，剪切帶平行于<111>_β，沿[001]_β觀察晶體時，剪切帶平行方向對應變為<110>_β；

(b) 包圍著透鏡狀區域的基體包含未應變的β-Ti；

(c,d) 傅里葉變換的斑點劈裂，表示有一個高度扭曲的β相；

(e) 迷宮狀花樣和傅里葉變換圖像中的光暈表明存在非晶相。

圖3：直徑為8mm的鑄態Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6棒狀樣品在透射電子顯微鏡下原位加熱的選區電子衍射顯微結構圖樣。

(a)鑄態情況；

(b-g) 原位加熱到α→β轉變溫度以下，非晶相在T=700K時開始向α-Ti轉變；

(h) 冷卻到室溫后，僅可觀察到平衡相α-Ti。

圖4：直徑為8mm的Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6棒狀樣品的循環差示掃描量熱法分析，以及不同退火條件下的顯微結構。

(a) 當鑄態合金加熱到823K時，會發生四種相變過程（1：β→β+w，2：w→β，3：β→α，4：glass→α）。在冷卻和立即再加熱時沒有轉變發生。在鑄態合金加熱到943K期間，與轉變點（5：α→β）相交，后續的冷卻使得低于695K時有放熱行為。由于在鑄態相再加熱時會發生同樣的相變，揭示了這個放熱反應（6）起源于β-Ti的部分非晶化；

(b) 823K退火的DSC樣品的明場透射電子顯微鏡圖像，和圖中標記區域的選區電子衍射圖像，證明穩定的α-Ti存在；

(c) 943K退火后，同樣的鑄態樣品的顯微結構和選區電子衍射圖像，顯示-Ti和非晶相。

圖5：馬氏體非晶化的圖示描述。

(a) 觀測到的顯微結構簡單示意圖：透鏡狀的非晶區域及其沿<110>_β或<001>_β的擇優取向；

(b) 傳統馬氏體轉變的晶體學變化，通過非常規原子位移，β晶格破壞形成非晶相;

(c) 根據冷卻過程中(Ti₆₁₅Zr_0.385)_100-3.9x(Cu_2.3Fe_1.6)_x(0≤x≤1.5)合金的DCS測量數據所得的亞穩態相圖。

【小結】

此類馬氏體非晶化屬于普遍現象，可在鑄態Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Co_1.6和Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Ni_1.6合金中觀測到。對于特定成分的β鈦合金，馬氏體相變過程中的局域晶格切變和畸變使得結構無序的非晶相相對于晶態相更容易形成，導致馬氏體非晶化的出現。這種非晶相可被稱為“非晶馬氏體”。多晶型固態非晶化能夠以馬氏體相變的形式進行，遵循融化的Born標準。現有實驗不僅提出一種可能的固態非晶化機制，且揭示了馬氏體相變隱含機制和破壞性熔化之間的基本關聯，這一發現豐富了固態非晶化機制和馬氏體相變理論。

文獻鏈接：Amorphous martensite in β-Ti alloys(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-02961-2)

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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