中科院林錦新Acta Mater.：β型單晶鈦基合金馬氏體相變研究

【引言】

亞穩態β型鈦基合金目前在醫藥和航空航天領域有著廣泛應用。β型鈦基合金從體心立方β相到底心正交α相和六邊形ω相的相變，具有超彈性和形狀記憶效應等特殊性質。ω相作為對材料力學性能有害的脆性顆粒，其對馬氏體α“相轉變的影響以及作為穩定α相前體的作用仍在探究過程中。最近，有學者使用β型Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金的<110>β單晶來研究上述問題。

【成果簡介】

近日，來自中科院福建物質結構研究所的林錦新教授 (通訊作者)等人在Acta Mater.上發布了一篇關于β型鈦基單晶的文章，題為“Stress release-induced interfacial twin boundary ω phase formation in a β type Ti-based single crystal displaying stress-induced α” martensitic transformation”。

本文中研究了一種化學成分為Ti-24Nb-4Zr-7.9S(重量百分比，簡稱為Ti2448)的β型鈦基合金。由于Ti2448表現出低至42GPa的楊氏模量和以3.3％的最大可恢復應變為特征的超彈性行為，被率先用于生物醫學植入假體。作者通過在循環拉伸測試下原位同步加速器X射線衍射（SXRD）檢測應力誘發的馬氏體α“相變和ITB-ω相的形成過程，最終獲得了形變β孿晶和ITB-ω相形成的新變形序列，以及晶格變化的相關幾何模型。

【圖片導讀】

圖1 單晶鈦基合金的循環拉伸曲線

由于發生應力誘發的馬氏體轉變(SIM)，可以清楚地觀察到滯后回線。3％應變后，馬氏體α“相開始發生彈性變形，然后發生塑性變形。

圖2 單晶鈦基合金的同步加速器X射線衍射譜

(a) 加載和卸載的完整衍射圖；

(b-d) (a)中標記部分的放大衍射圖。

圖3 SXRD分布圖

當應變增加時，β相的晶格參數不斷增加，直至加載3％應變，而卸載后保持恒定。對于SIMα“相，當αα”參數大致恒定時，bα“和cα”參數連續增加。

圖4 單晶鈦基合金形變至4.5％應變后的金相組織

照片上可以清楚地看到兩組相互交叉的變形帶。為確定這些譜帶的性質，下一步進行了TEM觀察。

圖5 單晶鈦基合金形變至4.5％應變后的TEM照片

(a) 位錯堆積；

(b) (a)中白圈標記區域的選定衍射圖；

(c) 彼此交叉的兩個變形帶；

(d) (c)中白圈標記區域的選定衍射圖。

圖6 基體和孿晶之間取向關系的立體投影圖

(a) β基體；

(b) β孿晶帶；

(c) α“基體與化合物之間的孿生關系；

(d) α“孿晶帶與化合物之間的孿生關系；

(e) ITB-ω相的晶體取向。

(f) β基體，α“基體和ITB-ω相的點陣對應。

【小結】

這篇文章采用化學組成為Ti-24Nb-4Zr-8Sn的單晶來研究孿晶邊界上的ω相。作者采用循環拉伸試驗，原位同步輻射X射線衍射，透射電鏡觀察和晶體取向重建等技術對變形特征進行了綜合分析。研究結果表明，在施加4.5％的應變，<110>βTi2448單晶顯示出4.2％的最大可恢復應變。結果表明，由于{110} <110>的回復，觀察到的{111}β1和ITB- α“孿晶，新形成的ITB-ω相是由于孿晶邊界上反向馬氏體相變時引起的壓縮應變而形成。

文獻鏈接：Stress release-induced interfacial twin boundary ω phase formation in a β type Ti-based single crystal displaying stress-induced α” martensitic transformation (Acta Mater., 19 February, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.036）

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