鈦合金領域的研究熱點:相變過程的變體選擇，用好EBSD讓你發Acta Mater

EBSD是掃描電鏡的一個重要附件，其在獲得樣品微觀晶粒形貌的同時還能得到晶粒的取向分布，使其在微織構的分析方面具有得天獨厚的優勢。眾所周知，鈦合金在β→α相變過程中，如果在理想狀態下可以形成12種變體，但是在實際中由于很多因素的存在，使相變過程中某幾種變體擇優析出，這就是所謂變體選擇的現象。每種變體的取向都是不一樣的，所以利用EBSD技術獲得的IPF圖可以很好地對變體進行甄別，這就為研究變體選擇現象提供了很大的便利。國內外關于鈦合金的研究已經非常深入了，許多問題已經透徹，但是變體選擇如今是研究的熱點，也是一直沒有弄清根源的地方。變體選擇在確定材料的變形織構和最終力學性能方面起著重要作用，而且變體選擇對與處理過程有關的許多外部因素都很敏感。在這里，筆者分享幾篇利用EBSD研究變體選擇的頂刊文章，將其中相同或類似的測試手段進行總結分析，以便于大家更好地掌握這門技術的應用。

1）L. Germain, N. Gey , M. Humbert, P. Vo et al. Texture heterogeneities induced by subtransus processing of near α titanium alloys，Acta materialia.

對于鍛造后的近α合金，經常發現許多趨向一致的區域，其大小甚至可以高達幾厘米，通常將這些區域命名為“Macrozones”。經過力學性能的檢測，發現其會嚴重損害材料的保載疲勞壽命。因此，關于近α或雙相鈦合金中“Macrozones”的形成機制一直是研究的熱點和重點，通過EBSD的表征，發現其形成機理與相變過程的變體選擇密切相關。如圖1所示，在IMI834合金中，通過EBSD的掃查，發現合金中存在織構密度很強的微區域，也就是“Macrozones”。通過極圖可以看出，這些區域形成的織構強度遠高于整個掃查范圍的織構強度。近α鈦合金在兩相區熱加工后，會形成兩種形態的α相，一種是初生α（α_p）相，另一種是此生α（α_s）相。作者利用Channel 5軟件分開了α_p和α_s，分別獲得了兩相對應的極圖，并重構了原始β晶粒的取向形貌圖和極圖。對比圖1b)和c）的極圖可以看出，強織構的“宏區”內α_p和α_s的c軸往往具有相近的方向，另外對比圖1b）和d），發現α_p與原始β相的Burgers取向關系并未被打破，在這種情況下，與α_p具有一致取向的α_s變體被優先析出， 從而進一步加強了α_p的織構強度，最終導致“Macrozones”的形成。在兩相區溫度熱加工的過程中， 原始β晶內形成的同一集束的α_p晶粒以相似的方式變形，同時不同取向的集束在壓力作用下發生旋轉， 最終使得{11-20}平行于壓縮軸， 而球化過程中又不會創造新的取向，因此α_p/β總是保持Burgers取向關系未變。 但是為何鈦合金中同一集束的晶粒在變形時，取向能夠如此穩定，目前為止，還未見有相關的報道， 如果能弄清其微觀變形機制， 則有助于消除鈦合金中存在“宏區”，進而提高鈦合金保載疲勞的壽命。 另外，從熱力學的角度來看，與α_p具有相同方向的α_s變體析出可以最小化相變過程中的彈性應變能。而使彈性應變能最小的變體通常擇優析出。

圖1 （a）背散射電子圖片；（b）α_p的取向形貌圖和右側對應的（0001）與（11-20）極圖；（c）α_s的取向形貌圖和右側對應的（0001）與（11-20）極圖；d）重構原始β的取向形貌圖和右側對應的（001）與（111）極圖^[1]

2）D. Bhattacharyya, G.B. Viswanathan, Robb Denkenberger et al. The role of crystallographic and geometrical relationships between α and β phases in an α/β titanium alloy.?Acta Materialia 51 (2003) 4679–4691.

該工作主要研究了α/β鈦合金在相變過程中原始β晶粒內形成的魏氏組織中α板條的形貌以及取向。圖2(a)中的SEM顯示了β熱處理的一部分原始β晶粒。所謂的α叢域結構，可以在β基體中看到。（b）為從EBSD掃查的歐拉圖，圖2(c)為兩個α叢域，標記為1和2，在兩個不同的方向生長。α叢域1和2的對應極點圖如圖2(e)所示，可以看出這些生長方向明顯不同的叢域在晶體取向上有著明顯的關系，極圖顯示為二者繞著<11-20>方向旋轉10°左右。叢域3和4有類似的情況。這說明原始β晶內的α叢域可以成對生長，雖然其生長方向不同，但是晶體學方向上僅僅旋轉[0001]大約10-11°左右。α板條的這種特征主要與變體選擇有關。由于轉變得到的α相闊面、側面以及端面與β基體的界面類型不同，導致界面能存在差異，一般來說端面的界面能最高，而闊面最低，因此冷卻過程中α相沿著端面快速生長，直到遇到晶界α為止，而闊面上的α且與β成共格界面，共格界面具有較低的能量，只能通過“Terrece-ledge-kink”機制緩慢移動，因此最終生成的α呈長條狀，如圖3所示。另外，給定集束之間的幾何形貌之間的大角度對應于與這兩個變體相關的兩條不變直線之間的角度；所以，傾斜的α板條可能共享共同的基面，并通過圍繞晶體c軸旋轉約10.5°而聯系在一起（如圖4），這樣的變體會被優先選擇。另外，兩個相鄰的原始β晶粒具有相同{110}晶面的時候，晶界α選擇（0001）//{110}析出，可以最小化界面能，由于{0002}晶面的晶面間距與{110}面相近，可能的情況是，核形成活化能的降低了臨界核的大小，從而造成了晶界α變體選擇。

圖2 原始β晶內不同叢域結構的晶體學取向關系^[2]

圖3 鈦合金中板條α與基體β的界面結構與晶體取向；當電子束的入射方向與[0001]_α?方向平行時，可以觀察到 α/β 相界面是由許多小臺階構成的，臺階走向為 [11-20]α∥?[ 111 ]_β，法線方向為[-1100]_α∥[-1-12]_β，側面走向與[33-5]_β?方向基本一致^[2]

圖4 Burgers取向關系，（a）變體1；（b）變體2^[2]

3）Shanoob Balachandran, Ankush Kashiwar, Abhik Choudhury et al. On variant distribution and coarsening behavior of the α phase in a metastable β titanium alloy. Acta Materialia 106 (2016) 374-387

該文主要研究了在α相粗化的過程中，變體的分布情況。所選合金為Ti5553，分別在765℃進行0.2 h, 0.83 h, 2 h, 4.5 h, 16 h 以及144 h時效處理。如下圖5所示為在β基體內析出的α變體的IPF圖，可以看出，隨著時效時間增加，α變體逐漸增大。另外一個明顯的特點是所有變體基本被三種顏色所覆蓋，相互之間旋轉60°左右，這說明該合金在時效時主要析出了3種變體。結合圖6中的IPT和極圖可以看出。這3個變體共享與每一對變體共同的{10-11}平面平行的界面。每個變體簇的三維重構圖顯示形成了一個中空的金字塔，并在金字塔的頂點滿足圖7的晶體學關系。計算模擬表明：結果發現，實驗中觀察到的最頻繁的雙簇組合和三簇組合的半孤立態能量最低。

圖5 IPF圖：顯示出時效時間對α相尺寸的影響^[3]

圖6 （a）3個變簇的IPF圖，每個變體簇的相關極圖顯示了共同的<11-20>晶向，三角形表示3個變體對的公共{10-11}極點，虛線表示這些平面，（b）3變體簇及其相關晶體學的三維圖像^[3]

圖7 它們有一個共同的[111]β方向，平行于<11-20>。12個變體由3個平行于其他3個<111>β方向的相似簇組成。Β相極圖是紅色的，α相極圖是藍色^[3]。

4）G.C. Obasi, S. Birosca, J. Quinta da Fonseca et al. Effect of β grain growth on variant selection and texture memory effect during α→β→α phase transformation in Ti–6 Al–4 V. Acta Materialia 60 (2012) 1048–1058

該文主要研究了鈦合金相變過程β晶粒長大導致的變體選擇，引起了織構記憶效應。同樣主要的研究表征手段為EBSD技術。Y元素能夠有效地阻礙晶粒的生長，所以在合金中加入Y元素可以實現本文的研究目標。文章中使用的Ti–6 Al–4 V和Ti–6 Al–4 V-0.4Y兩種合金在950℃進行軋制后，再950℃保溫8小時，然后以1℃/s的速率冷卻到室溫。隨后對兩種合金分別進行1050℃和1150℃保溫30分鐘，然后以1℃/min冷卻到室溫。如圖8為兩種合金熱處理后形成的α相織構，可以看出Ti–6 Al–4 V合金在1050℃和1150℃處理后形成（90°,90°,30°）的強織構。而Ti–6 Al–4 V-0.4Y合金分別形成（0°，90°, 0°）和(90°,90°,0°)的弱織構。研究變體選擇和織構記憶效應，最好能夠得到母相β的形貌和織構信息，但這一點非常難以實現，目前的原位技術能夠在1000℃以下實現對樣品的觀察，而1000℃以上則非常困難且難以實現。但是根據兩相轉變的Burgers關系，可以在獲得的EBSD數據的基礎上實現母相的重構。如圖9和10分別為兩種合金在熱處理制度下重構得到的β織構，以及按照Burgers取向關系得到的α相織構和實驗所測α相織構。可以看出β相主要得到強的α絲織構和弱的γ絲織構。（90°,90°,30°）的強織構并非α絲織構轉變所得的織構，而是γ纖維織構轉變所得織構。織構測量結果清楚地表明，β晶粒的生長與變異選擇水平有很強的相關性。

為了更好地研究變體選擇，將β晶界分成兩組，第1組為原始β晶界兩邊成核的具有相似取向α變體。第2組為兩側具有不同取向的變體，如圖11。研究發現第一組的情況下，相鄰β分析同一<110>極，會造成相似取向的變體在β兩側析出。而第二組則不會造成變體選擇，在圖11三維晶粒圖中可以明顯證實。隨著β晶粒尺寸的增大，對(90°,90°,0°)織構成分的變體選擇增強。因此，隨著β晶粒尺寸的增大，這種變體的優勢可能與這種特殊的α織構組分相對自由地生長成“空”β晶粒有關。

圖8 （a）和（b）Ti–6 Al–4 V合金在1050℃和1150℃熱處理形成的織構；（c）和（d）Ti–6 Al–4 V-0.4Y合金在1050℃和1150℃熱處理形成的織構^[4]

圖9 Ti–6 Al–4 V合金，（a）和（b）在1050℃和1150℃熱處理時EBSD重構的β相織構；（c）和（d）從β向計算所得α相織構；（e）和（f）實驗所測的α相織構^[4]

圖10 Ti–6 Al–4 V合金，（a）和（b）在1050℃和1150℃熱處理時EBSD重構的β相織構；（c）和（d）從β向計算所得α相織構；（e）和（f）實驗所測的α相織構^[4]

圖11 在重構的β高角度晶界圖上疊加α的IPF圖，分別顯示了Group1和Group2兩種情況下原始β晶粒取向對于α變體選擇的影響^[4]。

5）Ke Hua, Yudong Zhang, Weimin Gan et al. Correlation between imposed deformation and transformation lattice strain on a variant selection in a metastable β-Ti alloy under isothermal compression. Acta Materialia 161 (2018) 150-160

該文主要研究了在單相等溫壓縮的過程中，β→α轉變的變體選擇，具有統計的量化意義。重點研究了變形應變與外加應變及外加載荷之間的相互作用。具體的實驗如下，選擇Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al合金，線切割取Φ10×15mm的樣品，在900℃保溫30分鐘，水淬到室溫（1#），然后在700℃進行等溫熱壓縮，再水淬到室溫（2#）。為了比較的方便，另取樣品在700℃保溫，水淬到室溫。然后進行EBSD測試，所用步長為2μm，所掃區域為1.5×1.2mm，然后進行取向的分析。如圖12為2#號樣的背散射電子圖和IPF圖，可以看出形成三種狀態的α相，分別是晶界α_GB、魏氏α_W、晶內α。從IPF圖和極圖中可以看出β→α轉變遵守Burgers關系，有12中變體形成，但是有三個特殊的變體組成三角團簇，如黑色矩形所框。這三個變體繞著<11-20>方向旋轉60°，如d圖所示。而對于等溫壓縮的樣品，形成的α片條可以分為兩組（group 1和group 2）。其變體的背散射照片、菊池花樣和極圖分別如圖13和圖14.?Group1的變體朝向兩個方向，形成一個變種交叉在另一個變種上的特征“交叉”，兩個變體繞著<1 1.38 -2.38 0>方向旋轉90°，統計分析表明，在β晶粒中，選擇的變體對為V6-V8或V7-V12。group 2主要分布在變形和伸長的β晶粒中，β晶內的變體數目不定，但仍然有變體選擇產生，取向分析表明，這種情況下主要包含3中變體，相互之間旋轉60°。

圖12 700℃時效合金的BSE，IPF和β內析出α變體的極圖^[5]

圖13 Group 2變體的BSE、菊池花樣以及極圖^[5]

圖14 Group 2變體的BSE、菊池花樣以及極圖^[5]

結語：

從以上的研究可以看出，EBSD可以很方便的得到相變過程中變體的取向形貌圖（IPF圖），結合極圖可以對取向關系進行深入分析，從而發現特定的規律。這種技術集BSE、IPF和菊池花樣于一起，所獲得的信息直觀，利于分析。

EBSD是分析材料晶體學取向的有力表征手段，其信息量大，為科研人員帶來了許多方便。除了分析晶粒取向和材料微織構外，EBSD技術還可以用來分析材料再結晶，幾何位錯密度，相含量，相分布，施密特因子，晶粒尺寸大小，晶界和取向差分析等。筆者在后面的文章中會對EBSD的功能進行深度挖掘，以和大家進行探討，相互促進，相互進步。值得一提的是EBSD這種技術誤差相對較大，不能進行非常微觀的表征，目前這門表征技術為主的文章最高級別為Acta Mater（僅就金屬材料領域而言），但是以透射電子顯微鏡，尤其是高分辨透射，可以讓你的文章穩定Nature或Science。最后還需要給大家提醒的是，要深入理解EBSD這門技術，不僅需要扎實的晶體學功底，還應深入理解材料科學的知識。

參考文獻：

[1]L. Germain, N. Gey , M. Humbert, P. Vo et al. Texture heterogeneities induced by subtransus processing of near α titanium alloys，Acta materialia.

[2]D. Bhattacharyya, G.B. Viswanathan, Robb Denkenberger et al. The role of crystallographic and geometrical relationships between α and β phases in an α/β titanium alloy.?Acta Materialia 51 (2003) 4679–4691.

[3]Shanoob Balachandran, Ankush Kashiwar, Abhik Choudhury et al. On variant distribution and coarsening behavior of the α phase in a metastable β titanium alloy. Acta Materialia 106 (2016) 374-387

[4]G.C. Obasi, S. Birosca, J. Quinta da Fonseca et al. Effect of β grain growth on variant selection and texture memory effect during α→β→α phase transformation in Ti–6 Al–4 V. Acta Materialia 60 (2012) 1048–1058

[5]Ke Hua, Yudong Zhang, Weimin Gan et al. Correlation between imposed deformation and transformation lattice strain on a variant selection in a metastable β-Ti alloy under isothermal compression. Acta Materialia 161 (2018) 150-160

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