中科院林锦新Acta Mater.：β型单晶钛基合金马氏体相变研究

【引言】

亚稳态β型钛基合金目前在医药和航空航天领域有着广泛应用。β型钛基合金从体心立方β相到底心正交α相和六边形ω相的相变，具有超弹性和形状记忆效应等特殊性质。ω相作为对材料力学性能有害的脆性颗粒，其对马氏体α“相转变的影响以及作为稳定α相前体的作用仍在探究过程中。最近，有学者使用β型Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金的<110>β单晶来研究上述问题。

【成果简介】

近日，来自中科院福建物质结构研究所的林锦新教授 (通讯作者)等人在Acta Mater.上发布了一篇关于β型钛基单晶的文章，题为“Stress release-induced interfacial twin boundary ω phase formation in a β type Ti-based single crystal displaying stress-induced α” martensitic transformation”。

本文中研究了一种化学成分为Ti-24Nb-4Zr-7.9S(重量百分比，简称为Ti2448)的β型钛基合金。由于Ti2448表现出低至42GPa的杨氏模量和以3.3％的最大可恢复应变为特征的超弹性行为，被率先用于生物医学植入假体。作者通过在循环拉伸测试下原位同步加速器X射线衍射（SXRD）检测应力诱发的马氏体α“相变和ITB-ω相的形成过程，最终获得了形变β孪晶和ITB-ω相形成的新变形序列，以及晶格变化的相关几何模型。

【图片导读】

图1 单晶钛基合金的循环拉伸曲线

由于发生应力诱发的马氏体转变(SIM)，可以清楚地观察到滞后回线。3％应变后，马氏体α“相开始发生弹性变形，然后发生塑性变形。

图2 单晶钛基合金的同步加速器X射线衍射谱

(a) 加载和卸载的完整衍射图；

(b-d) (a)中标记部分的放大衍射图。

图3 SXRD分布图

当应变增加时，β相的晶格参数不断增加，直至加载3％应变，而卸载后保持恒定。对于SIMα“相，当αα”参数大致恒定时，bα“和cα”参数连续增加。

图4 单晶钛基合金形变至4.5％应变后的金相组织

照片上可以清楚地看到两组相互交叉的变形带。为确定这些谱带的性质，下一步进行了TEM观察。

图5 单晶钛基合金形变至4.5％应变后的TEM照片

(a) 位错堆积；

(b) (a)中白圈标记区域的选定衍射图；

(c) 彼此交叉的两个变形带；

(d) (c)中白圈标记区域的选定衍射图。

图6 基体和孪晶之间取向关系的立体投影图

(a) β基体；

(b) β孪晶带；

(c) α“基体与化合物之间的孪生关系；

(d) α“孪晶带与化合物之间的孪生关系；

(e) ITB-ω相的晶体取向。

(f) β基体，α“基体和ITB-ω相的点阵对应。

【小结】

这篇文章采用化学组成为Ti-24Nb-4Zr-8Sn的单晶来研究孪晶边界上的ω相。作者采用循环拉伸试验，原位同步辐射X射线衍射，透射电镜观察和晶体取向重建等技术对变形特征进行了综合分析。研究结果表明，在施加4.5％的应变，<110>βTi2448单晶显示出4.2％的最大可恢复应变。结果表明，由于{110} <110>的回复，观察到的{111}β1和ITB- α“孪晶，新形成的ITB-ω相是由于孪晶边界上反向马氏体相变时引起的压缩应变而形成。

文献链接：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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