麻省理工《Acta Materialia》：滑移孪晶在相界面的变化！

双相(α+β)钛合金由于具有良好的微观组织和力学性能而具有广泛的工程应用。由于内在的复杂性，其潜在的微观变形机制激发了学者们广泛的科学兴趣。相比于研究钛合金α相晶界的变形，关于α/β相界的研究较少。关于双相钛合金，虽然现在已有研究位错和α/β相界间的相互作用，但是对于α相的机械孪生和跨α/β相界的迁移研究很少，对于其最初的倾向性，晶体学起源和微观力学的研究仍十分匮乏。

美国麻省理工学院的研究人员阐明了变形时α/β相界上发生的变化，通过晶体学计算，揭示了Schmid因子和Luster–Morris参数的组合，能够对滑移孪生的初始倾向进行合理的量化。相关论文以题为“Slip-twin transfer across phase boundaries: An in-situ investigation of a Ti-Al-V-Fe(α+β) alloy”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116520

本研究使用的钛合金为Ti-4.0Al-2.5V-1.5Fe(wt%)，经电弧熔炼、热机械加工、冷轧、退火，最终形成研究所需板材。研究发现钛合金α相通常表现出较低的晶体对称性，其塑性变形引起的变化主要由两个因素影响：位错滑移和机械孪晶。两个固有材料因素(晶体结构和临界分切应力)已被证实是影响塑性变形的重要指标。而β相(bcc)表现出较高的对称性，因此塑性更倾向于各向同性。在滑移孪晶中，{112}(111)滑移系统的激活比{110}(111)滑移系统更显著。

图1 Ti-Al-V-Fe合金在未变形状态下的微观结构(a) EBSD图；(b) α相的极图；(c) β相的极图；(d)(e) α相和β相的粒度统计

图2 室温下单轴拉伸(a)工程应力-应变曲线和局部应变剖面；(b)应变硬化速率图。

图3拉伸变形过程中滑移孪晶传递观测(a₁)-(a₄)滑移-孪晶传递的存在；(b₁)-(b₄)出现双滑移孪晶

图4 (a₁)、(b₁) IPF图；(a₂)-(a₄)、(b₂)-(b₄) 滑移孪晶痕迹分析

图5 滑移孪晶传递的微观变化(a₁)-(c₁) 不同情况示意图；(a₂)-(c₂) 应变图；(a₃)-(c₃) 局部应变演化曲线

当滑移只发生在α相或β相内时，随着塑性变形的进行，最大局部应变差和局部应变梯度均呈单调显著增加趋势，表明存在较大的应变不兼容性和局部化。相比之下，当激活滑移孪晶转移时最大局部应变差和局部应变梯度变化平和很多，即使在较高的变形水平下，也只有细微的增加。说明滑移孪晶变化机制确实可以在相界上引发更协调的变形，使应变离域化。

总的来说，本研究利用原位SEM/EBSD和基于显微组织的应变映射，研究了α/β相界的滑移孪晶变化。滑移孪晶变化的激活不仅缓解了α/β相界的应变不协调，还缓解了应变梯度，这是促进形变均匀性的潜在机制。本文为后续双相钛合金的塑性变形研究提供了理论基础。（文：破风）