導讀：傳統金屬材料的塑性變形機理主要為位錯運動，但對於具有固態相變的金屬而言，如馬氏體不鏽鋼和亞穩β鈦合金，TRIP （應力誘發馬氏體）和TWIP（應力誘發孿晶）效應往往與高強高韌性能密切相關。本文在亞穩β鈦合金中首次發現異常孿晶Type I-{541}β和Type II-<531>β，並對其形成機理進行了理論分析和變體預測。
鈦合金是當前重要的一類結構材料，高比強度、良好的耐腐蝕性、優異的生物相容性等特點使其航空航天和生物醫療領域具有重要應用。對多種類型的鈦合金而言，探究其塑性變形機理，對於評價、預測並設計新型合金至關重要。其中，應力誘發α』』馬氏體、應力誘發ω相、變形孿晶{332}<113>和{112}<111>都已在鈦合金的塑性變形組織中被大量實驗證實。然而，馬氏體相變的可逆性易造成顯微組織馳豫，這對於明晰其真實的塑性變形機理，進而設計出更高性能的相變金屬材料帶來極大難度。
近日，廣東工業大學楊洋副教授和中國科學院金屬研究所郝玉琳研究員、法國雷恩國立應用科學學院合作，採用同步輻射X射線衍射和透射電子顯微技術，以中科院金屬研究所自主研發的亞穩β鈦合金Ti2448合金為例，首次發現了新型反常孿晶Type I-{541}β和Type II-<531>β，經理論分析證實了這兩種反常β孿晶均為馬氏體孿晶在應力鬆弛後組織回復後所被動形成的（passively formed）。同時，各類孿晶界面上均存在由應力鬆弛而誘發的ω相（Stress-release induced ω phase）。相關論文以題為「Plastic deformation via hierarchical nano-sized martensitic twinning in the metastableβ Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy」發表在金屬領域頂級期刊Acta Materialia上，這是繼Physical Review Letters封面期刊和Acta Materialia等多個期刊連續報導後的又一力作。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.021
在這項工作中，研究人員首先採用高能同步輻射在SXRD譜線中觀察到了近乎完全的應力誘發α』』馬氏體相變，隨後採用採用高分辨透射電鏡觀察變形組織，得到了多層級的β變形孿晶形貌，具體如下圖所示。
Fig.1. (a) Ti2448合金in situ SXRD結果，(b) 變形5%樣品的TEM結果顯示出典型複雜變形組織， (c) 單根變形帶中顯示出具有多層級的精細結構.
經取向分析並對多層級孿晶和界面相進行標定，發現變形組織中的單根變形帶實則包含多個孿晶組分：(a) 初生孿晶 primary twin， (b) 次生孿晶 secondary twin，(c) 基體matrix，(d) 界面omega相，矛盾之處在於：原位同步輻射觀察到的應力誘發α』』馬氏體相在顯微組織中始終未能探測到。
Fig. 2.Ti2448合金變形組織中典型的hierarchical deformation band解析結果
隨後，研究人員採用基於極射赤面投影圖的取向重構方法（crystallographic reconstructing method），對上圖中單根變形組織中的多個孿晶組分進行了馬氏體孿晶的取向重構工作，結果如下圖。
Fig. 3.圖2中各孿晶組分經取向重構後發現並證實：1-卸載狀態的初生孿晶與次生孿晶為{332}<113>β類型，對應加載狀態下的{130}<310>α』』類型；2-初生孿晶與基體為{013}<531>β -Type II類型，對應加載狀態下的{021}<512>α』』 -TypeII類型；3- 次生孿晶與基體為{541}<111>β -Type I類型，加載狀態下不存在孿晶關係。
最後，研究人員採用Schmid因子進行了孿晶變體的理論分析與預測，驗證了初生孿晶的析出遵從schmid定律，但是次生孿晶的析出違背Schmid定律，這主要是因為次生孿晶優先滿足其於初生孿晶之間關系所致。
這項研究中反常孿晶Type I-{541}β和Type II-<531>β的發現，是對現存鈦合金塑性變形機制的補充，研究中所採用的晶格重構方法與Schmid因子理論分析方法對於具有馬氏體相變孿晶的金屬材料塑性變形實驗與理論研究，可以提供借鑑。相關方法在作者所發表的其他文章中已有所介紹，可參考如下Acta Materialia, 2015, (88): 25-33；Physical Review Letters, 2016(24): 117；Acta Materialia, 2016, (105): 94-103.（文：Quan~）
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