馬克斯·普朗克學會Acta Mater.：ω相對亞穩β鈦合金塑性的影響

【引言】

亞穩β鈦合金在航空航天和生物醫藥行業的結構應用中具有特殊意義。在β相區固溶處理和隨后的水淬之后，這些合金的體心立方（bcc）β基體顯示出低的熱力學和彈性穩定性，這樣的亞穩狀態使時效過程中第二相(α和/或ω)析出，從而導致屈服強度顯著增加。在過去的四十年中，由于航空航天工業對高強度鈦合金的需求不斷增長，已經開發出了大量的α硬化亞穩態β鈦合金，通過適當地調整β+α的微觀結構，α硬化合金的屈服強度可以達到到非常高的數值。然而，這些合金通常表現出較低的加工硬化并且具有較低的延展性，限制了它們的應用。最近有學者研究了ω相對亞穩β鈦合金塑性的影響，為提高β鈦合金的塑性指明了道路。

【成果簡介】

近日，來自德國馬克斯·普朗克學會的M.J. Lai (通訊作者)等人在Acta Mater.上發布了一篇關于亞穩β鈦合金的文章，題為“ω phase acts as a switch between dislocation channeling and joint twinning- and transformation-induced plasticity in a metastable β titanium alloy”。作者研究了孿生誘導塑性（TWIP）和相變誘導塑性（TRIP）以及ω相對亞穩態β型鈦合金這兩種現象的影響。實驗結果表明，無ω相合金的塑性變形是由應力誘導的β→α“馬氏體相變，{332}孿生變形和位錯滑移所引起的，其中前兩者引起TRIP和TWIP效應，后者存在ω-富集合金中，ω粒子完全抑制了TWIP和TRIP效應，促進了位錯可塑性到特定的ω-缺口通道中的定位。原子探針斷層掃描分析揭示β和ω結果之間的元素分配在β基體中溶質的微量富集，不能充分地穩定基體以防止馬氏體轉變和孿晶的形成。

【圖片導讀】

圖1 Ti-25Nb-0.7Ta-2Zr合金在冷軋和固溶處理后再進行爐冷的組織和晶體結構示意圖

(a) 垂直于軋制方向的BSE圖像；

(b) 垂直于法線方向的EBSD相位圖；

(c) 沿正常方向的反極圖；

(d) φ2= 45°的方位分布函數圖。

圖2 樣品的TEM照片

(a-b) 選區電子衍射圖；

(c) 箭頭標記的ω反射獲得暗視場圖像；

(d) ω粒子的粒度分布圖。

圖3 Ti-25Nb-0.7Ta-2Zr合金在水淬（WQ）和爐冷（FC）狀態下的機械響應

(a) 拉伸工程應力 - 應變曲線；

(b) 加工硬化率與真實應變的函數關系圖。

圖4 拉伸樣品微觀結構演變過程

(a-c) 加載后取自相同區域從不同應變水平的連續BSE圖像；

(d) 卸載后相同區域的BSE圖像；

(e) 右上方同一顆粒的特寫圖像。

圖5 Ti-25Nb-0.7Ta-2Zr合金在爐冷狀態下的變形組織

(a) 從變形后拉伸試樣的預拋光表面取大約3％塑性應變的BSE圖像；

(b) 紅色粗線部分標出的位置準備的貫穿厚度TEM片層的STEM明場像；

(c) 使用ω反射獲得的TEM暗視場圖像。

【小結】

本文系統地研究了亞穩態β型Ti-25Nb-0.7Ta-2Zr合金，作者通過拉伸試驗研究了這種合金在這兩種狀態下的機械響應。用SEM，EBSD，TEM和APT等手段對拉伸變形前后的組織進行觀察。結果表明，無ω相的合金顯示出雙重屈服現象。其塑性變形由多種變形機制介導，包括應力誘發的β→α“馬氏體相變，{332}孿晶和位錯滑移，前者引起TRIP和TWIP效應，導致明顯的加工硬化行為，而后者它們是塑性應變的主要部分，與應力誘發的α“馬氏體板相比，{332}孿晶對于位錯運動更有效。

文獻鏈接：ω phase acts as a switch between dislocation channeling and joint twinning- and transformation-induced plasticity in a metastable β titanium alloy (Acta Mater., 31 March, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.03.053)

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