鈦（Ti）合金由于重量輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕性和抗斷裂性以及出色的生物相容性，廣泛用于航空航天工程，化學(xué)工業(yè)和醫(yī)療植入。 變形孿晶是Ti合金中對(duì)應(yīng)于六方緊密堆積（hcp）結(jié)構(gòu)的重要變形機(jī)理。在六邊形材料中孿晶具有幾個(gè)特征。孿生是單向的，具有獨(dú)特的剪切感。與孿生相關(guān)的局部剪切變形發(fā)生在低剪切應(yīng)力下，并導(dǎo)致機(jī)械不穩(wěn)定。軋制的六邊形金屬板通常表現(xiàn)出特征性的紋理成分，晶體c軸優(yōu)先沿板的法線方向?qū)R。流動(dòng)應(yīng)力演化在面內(nèi)和貫穿厚度方向之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性。除了導(dǎo)致大多數(shù)晶粒的重新定向外，聚集孿晶還顯示硬化速率增加，晶粒微觀結(jié)構(gòu)隨著變形而不斷演變。在循環(huán)加載或應(yīng)變路徑變化期間，孿生與孿生相互作用，導(dǎo)致形成孿生結(jié)，進(jìn)一步影響連續(xù)孿生、二次孿生、解孿晶和開裂。因此，變形孿晶對(duì)六方金屬的各向異性強(qiáng)度強(qiáng)、變形性差、織構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)演化起著至關(guān)重要的作用。

修改孿晶行為可以有效地調(diào)整六方金屬的機(jī)械行為。孿生涉及三個(gè)過程：成核、繁殖和生長(zhǎng)。孿生成核涉及在孿生平面上同時(shí)成核和滑行多個(gè)孿生位錯(cuò)或斷開（高度為多個(gè)原子平面的TDs）或同時(shí)洗牌一定體積的原子。盡管已經(jīng)提出了幾種方法來減少孿晶，例如在高溫下加工，與適當(dāng)?shù)脑剡M(jìn)行合金化，細(xì)化晶粒尺寸和削弱織構(gòu)，但潛在的機(jī)制尚不清楚。相比之下，變形孿生體的傳播和生長(zhǎng)是通過與原子洗牌相關(guān)的孿生邊界（TB）上的TD成核和滑行來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)觀察和密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，溶質(zhì)原子可以偏聚成TB，對(duì)TBs的遷移產(chǎn)生強(qiáng)烈的固定作用，并相應(yīng)地強(qiáng)化材料。

在變形孿晶的傳播和增厚/生長(zhǎng)過程中，TD經(jīng)常堆積起來，形成原子模擬和實(shí)驗(yàn)中觀察到的步驟或刻面。例如，沿{101—2} TB 和金字塔-基底/基底-錐體（PyB/BPy）步驟/刻面（金字塔平面在兩個(gè)顆粒中平行于基底平面）與{101—1}和 {112—2} TB 。這些步驟/面的遷移或滑動(dòng)在很大程度上影響變形孿晶的傳播和增厚。最近，Xu等人觀察到{101—2} 順序?qū)\生以及 {112—1} 孿生，即沿主孿生體 {112—1} 根據(jù)承受沖擊載荷的鈦板的電子背散射衍射（EBSD）表征。更重要的是，這些順序雙胞胎有效地抑制了原代雙胞胎的增厚。即使在常規(guī)載荷下，這些步驟的遷移通常也會(huì)激活基底平面上的位錯(cuò)發(fā)射以釋放應(yīng)力/應(yīng)變濃度。如果基底SFE降低，發(fā)射的位錯(cuò)可能是部分位錯(cuò)，部分位錯(cuò)的連續(xù)發(fā)射可能導(dǎo)致高密度基底堆積斷層（BSF）或相變?yōu)槊嫘牧⒎剑?/span>fcc）結(jié)構(gòu)。與孿生繁殖相關(guān)的新形成的BSF和FCC結(jié)構(gòu)可以固定TB并影響孿生增厚/生長(zhǎng)。這啟發(fā)了中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等團(tuán)隊(duì)的研究，即降低基礎(chǔ)SFE對(duì)孿生行為的影響。

Al是商用Ti合金中的主要合金元素，因?yàn)?/span>Al溶質(zhì)可以定制與不同滑移系統(tǒng)，SFE和孿生活動(dòng)相關(guān)的位錯(cuò)的臨界解析剪切應(yīng)力（CRSS）。在α-TiAl體系中，實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算證明Al溶質(zhì)可以有效降低Ti的基礎(chǔ)SFE。此外，在Ti-Al多層層中經(jīng)常觀察到fcc相Ti，這意味著少量Al溶質(zhì)可能促進(jìn)hcp到fcc相轉(zhuǎn)化。 因此，通過合金化Al將促進(jìn)Ti合金中BSF和fcc納米帶的形成。

在這項(xiàng)工作中，中南大學(xué)宋旼教授團(tuán)隊(duì)表征了Ti-10at.%Al合金的變形機(jī)理。通過結(jié)合顯微鏡表征和原子建模，我們證明了通過在Ti中合金化10at.%Al來降低HCP和fcp相之間的基礎(chǔ)SFE和內(nèi)聚相能差，可以促進(jìn)變形過程中大量BSF和fcc納米帶的形成。因此，這些晶體學(xué)缺陷有效地限制了{101—2}變形孿晶，導(dǎo)致Ti-Al合金中的超細(xì)鱗片變形孿晶。此外，BSFs和fcc納米帶的容易形成可以有效地放松與雙胞胎相互作用相關(guān)的局部應(yīng)力/應(yīng)變濃度。相關(guān)研究成果以題“Influence of lowering basal stacking fault energy on twinning behaviours”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422010126

圖 1

（a） 退火Ti-10at.%Al合金的EBSD圖案;（b） 退火的 Ti-10at.%Al 合金的 XRD 圖譜。

圖 2

（a） 用于DFT計(jì)算的純Ti、Ti-5at.%Al和Ti-10at.%Al合金的HCP超級(jí)電池;（b） HCP、FCC 和 BSF 超級(jí)單體沿 [112—0] 方向;（c）隨著Al含量的增加，HCP和FCC結(jié)構(gòu)之間基礎(chǔ)SFE和內(nèi)聚能差異的變化;（d） HCP和BSF的MS/MD模擬模型;（e） 沿[101—0]方向?yàn)榧冣仯琓i-5at.%Al和Ti-10at.%Al合金。誤差線表示由Al原子的不同分布引起的值波動(dòng)

圖 4

（a） 統(tǒng)計(jì)分析{101—2}Ti-10at.%鋁合金變形后的雙厚度;（b） Ti-10at.%Al合金與純Ti和其他Ti合金中孿生合金的平均孿生厚度比較。

圖 5

（一、三）TEM明場(chǎng)圖像和（b，d）相應(yīng)的HRTEM圖像{101—2}Ti-10at.%Al合金變形后的雙胞胎。

圖 6

HRTEM圖像{101—2}雙胞胎、FCC 納米帶和 BSF/BP/PB 步長(zhǎng)處的部分位錯(cuò)：（a-b）{101—2}與基質(zhì)中的FCC納米帶孿生;（中）{101—2}與BSF和基質(zhì)中的部分位位孿生

圖 8

（一、三）透射電鏡明場(chǎng)圖像{101—2}雙結(jié)結(jié)和（b，d）相應(yīng)的HRTEM圖像，顯示FCC納米帶，BSF和部分位錯(cuò)。

總之，本研究系統(tǒng)的研究了降低基底堆積故障能量對(duì)孿生行為的影響，并得出以下結(jié)論：

利用Ti-10at.%Al合金研究了降低基礎(chǔ)SFE對(duì)六方金屬孿晶行為的影響。DFT計(jì)算和顯微鏡表征表明，合金化Al元素降低了HCP和FCC結(jié)構(gòu)之間的基底SFE和內(nèi)聚能差，促進(jìn)了在變形過程中孿晶之前與fcc納米帶相關(guān)的高密度BSFs的形成，從而有效抑制了FCC納米帶的傳播和生長(zhǎng)。此外，BSF和fcc納米帶可以在孿晶繁殖和雙孿生相互作用過程中沿TBs在BP/PBs步階上成核，放松應(yīng)力/應(yīng)變集中并固定TBs。孿晶前的BSF/fcc納米帶和孿生過程中成核的BSF/fcc納米帶協(xié)同約束孿晶，導(dǎo)致Ti-10at.%Al合金中超細(xì)鱗片變形孿生。這項(xiàng)工作為理解降低基礎(chǔ)SFE對(duì)六方金屬孿生行為的影響提供了見解。