中南大學(xué)《Acta Materialia》：鈦合金共格孿晶邊界中溶質(zhì)偏析引起的異常沉淀
2023-01-03 15:44:20
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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制備鈦合金通常有α′組成的，力學(xué)性能相對較差，許多人試圖研究α′馬氏體分解與力學(xué)性能之間的關(guān)系。然而，對α′分解機(jī)制和β形成機(jī)制的在原子尺度上研究相對較少，盡管從原子角度理解β形成機(jī)制對于進(jìn)一步改善β的分布和力學(xué)性能至關(guān)重要。析出相在致密孿晶界面上的不均勻析出，明顯改善合金力學(xué)性能。然而，β只在馬氏體板之間的界面和內(nèi)部位錯(cuò)處不均勻地析出。如果β相能在α′的孿晶邊界上不均勻析出，那么致密納米孿晶的引入將極大地改變β相的分布。日前，來自中南大學(xué)等單位的研究人員發(fā)現(xiàn)α′馬氏體中的β相在Mo分離的全相干CTBs上不均勻析出，并與α′形成不尋常的Potter OR，還發(fā)現(xiàn)CTB具有類似于β相的結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Unusual precipitation induced by solute segregation in coherent twin boundary in titanium alloys”發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118466
圖1 HAADF-STEM圖像，其對應(yīng)的FFT模式對FFT的仔細(xì)分析表明，β析出相與α′馬氏體及其相變孿晶之間的或?yàn)?/span>(01-1)β //(10-11) α′/T和[-111]β //[1-210] α′/T，也稱為Potter OR, 與傳統(tǒng)上認(rèn)為β相的非均勻析出不同。此外Mo是一種典型的β穩(wěn)定元素，它有很強(qiáng)的向β相分配的傾向。β析出相的形成會吸引Mo原子，導(dǎo)致在析出相周圍形成一個(gè)Mo耗竭區(qū)。在該析出相的上方和下方有一條連接CTB的直線，證明β析出相恰好在孿晶邊界的相干區(qū)域即CTB上形成。β相和孿晶之間的界面結(jié)構(gòu)和OR與β相和馬氏體之間的界面結(jié)構(gòu)和OR相同。β/孿晶界面和β/基體界面的失配位錯(cuò)分離距離的差異可能是由于β相中局部Mo濃度的差異造成的。由于Potter OR是一種介于β和α′馬氏體之間的不同尋常的OR。其周圍的孿晶和CTB經(jīng)過長時(shí)間的時(shí)效已經(jīng)消失，這兩種β析出相仍然與馬氏體存在波特OR關(guān)系，表明β和馬氏體之間的波特OR關(guān)系是相對穩(wěn)定的。圖2 (a) Supercell用于計(jì)算Mo溶質(zhì)在CTB壓縮或擴(kuò)展位置的偏析能。同占用率Mo在CTB中單個(gè)擴(kuò)展列或壓縮列中的偏析能。從彈性應(yīng)變最小化的角度來看，由于Mo原子半徑小于Ti，因此在CTBs中壓縮部位發(fā)生Mo偏析。第一性原理計(jì)算結(jié)果當(dāng)Mo偏析到壓縮位置時(shí)，偏析能值為負(fù)，當(dāng)單個(gè)壓縮列中Mo占用率為100%時(shí)，偏析能最小。這些結(jié)果表明，Mo在能量上傾向于向壓縮位偏析，并且Mo傾向于占據(jù)每個(gè)壓縮列中的所有Ti位。為了了解β結(jié)構(gòu)在（10-11）CTB上的形成機(jī)制，首先沿α′觀察了無Mo偏析的（10-11）CTB的弛豫結(jié)構(gòu)， CTB中壓縮點(diǎn)周圍的原子排列與β結(jié)構(gòu)單元的原子排列相似，CTB中每個(gè)壓縮位點(diǎn)周圍的結(jié)構(gòu)可以作為β結(jié)構(gòu)單元形成的模板，從而誘導(dǎo)β結(jié)構(gòu)單元的形成，位于壓縮位點(diǎn)的原子可以進(jìn)一步改變到β結(jié)構(gòu)的位置。
圖3 無溶質(zhì)偏析、20%Mo隨機(jī)分布和Mo全部替代壓縮列的（10-11）CTB弛豫結(jié)構(gòu)圖6 β結(jié)構(gòu)單元形成的能量有利位置。在Ti-4wt%Mo合金α′馬氏體中觀察到Mo偏析CTBs上β相的不均勻析出。在CTB上形成的β析出相與馬氏體及其相變孿晶均具有Potter OR。它的析出是由CTB中每個(gè)壓縮位點(diǎn)周圍的特定結(jié)構(gòu)和CTB中的Mo偏析引起的。該結(jié)構(gòu)是六方α′和BCC β產(chǎn)物之間的一種中間狀態(tài)。Mo在CTB中的偏析導(dǎo)致分離的原子列發(fā)生了不尋常的平面外位移，這不僅使中間結(jié)構(gòu)與β相幾乎相同，而且提供了β相析出所需的高Mo濃度。第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，具有Mo偏析的CTB上β的形成在能量上是有利的。這些發(fā)現(xiàn)可能適用于鈦合金，甚至其他金屬合金，不僅推進(jìn)了沉淀物在特定邊界結(jié)構(gòu)上的異質(zhì)形核理論，而且提供了一種新的基于雙邊界的方法來合理設(shè)計(jì)超細(xì)沉淀物微觀結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)潛在的前所未有的力學(xué)性能。
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