中科院金属所Nature子刊：β-Ti合金中的马氏体相变致非晶化机制

 【引言】

通常情况下，液体急冷可以避免结晶，从而获得非晶合金。此外，非晶态材料可以通过晶态固体转变得到，此法又称固态非晶化(SSA)。晶体通过高压处理、离子或电子辐射、剧烈塑性形变、机械合金化等诸多处理，可全部或部分转变为非晶态。从热力学角度来讲，固态非晶化可以看作是低于平衡熔点的熔化过程。固态非晶化要产生含有高密度晶格缺陷的亚稳态晶相。冷却晶态固体时没有成分改变的固态非晶化（多晶型固态非晶化），称为可逆熔化（inverse melting），一般通过形核和长大过程产生。然而，在无缺陷晶体持续过热时，会发生一种不同的罕见的熔化方式——破坏性熔化（catastrophic melting），这种熔化仍未在实验中观测到。马氏体相变是另一种常见现象。在冷却或变形时，声子反常伴随着弹性软化和晶格切变，引发晶格畸变，现有晶格通过非扩散的位移型转变，得到一种新晶型。然而，马氏体相变和破坏性（可逆）熔化的相关联系仍未有实验证据，同时缺乏相关机制的研究。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所的张海峰研究员、西安交通大学的任晓兵教授等人在Nature Communications发表了题为“Amorphous martensite in β-Ti alloys”的研究论文，报道了一种新的固态非晶化机制——马氏体相变致非晶化机制。研究者发现，在冷却Ti-Zr-Cu-Fe合金时发生马氏体相变，从而转变为非晶相。亚稳β相晶粒内部分布着具有特定取向的柳叶状或者板条状非晶相，非晶相和β相基体无明显成分差别，并且在界面处存在明显的切变台阶以及严重的β相晶格畸变。这种非晶相的形态与已报道的固态非晶化明显不同。

【图文导读】

图1：铸态Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6块状样品的显微结构。

(a) X射线衍射图样，在β-Ti衍射峰附近，非晶相对应的较宽衍射驼峰状隆起；

(b) 明场透射电子显微镜（TEM）图像显示，凸透镜状的明亮区域，长轴倾向于沿<110>_β和<001>_β方向，该相位于β-Ti基体中，通常沿<111>_β方向重复多次发生剪切形变；

(c) 更高放大倍数的明场透射电子显微镜（TEM）图像，插图为透镜状区域中心的选区电子衍射图样（SAED）；由衍射环可确定非晶相的存在；

(d) c图标记区域的高分辨透射电镜(HRTEM)图像以及插图经过傅里叶变换后得到的图像，均清晰表明透镜状区域主要为非晶态。

图2：直径为8mm的铸态Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6棒状样品的显微结构细节情况。

(a) 明场透射电子显微镜（TEM）图像显示，在β-Ti晶粒内部有典型的含有剪切阶梯的凸透镜状区域，剪切带平行于<111>_β，沿[001]_β观察晶体时，剪切带平行方向对应变为<110>_β；

(b) 包围着透镜状区域的基体包含未应变的β-Ti；

(c,d) 傅里叶变换的斑点劈裂，表示有一个高度扭曲的β相；

(e) 迷宫状花样和傅里叶变换图像中的光晕表明存在非晶相。

图3：直径为8mm的铸态Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6棒状样品在透射电子显微镜下原位加热的选区电子衍射显微结构图样。

(a)铸态情况；

(b-g) 原位加热到α→β转变温度以下，非晶相在T=700K时开始向α-Ti转变；

(h) 冷却到室温后，仅可观察到平衡相α-Ti。

图4：直径为8mm的Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Fe_1.6棒状样品的循环差示扫描量热法分析，以及不同退火条件下的显微结构。

(a) 当铸态合金加热到823K时，会发生四种相变过程（1：β→β+w，2：w→β，3：β→α，4：glass→α）。在冷却和立即再加热时没有转变发生。在铸态合金加热到943K期间，与转变点（5：α→β）相交，后续的冷却使得低于695K时有放热行为。由于在铸态相再加热时会发生同样的相变，揭示了这个放热反应（6）起源于β-Ti的部分非晶化；

(b) 823K退火的DSC样品的明场透射电子显微镜图像，和图中标记区域的选区电子衍射图像，证明稳定的α-Ti存在；

(c) 943K退火后，同样的铸态样品的显微结构和选区电子衍射图像，显示-Ti和非晶相。

图5：马氏体非晶化的图示描述。

(a) 观测到的显微结构简单示意图：透镜状的非晶区域及其沿<110>_β或<001>_β的择优取向；

(b) 传统马氏体转变的晶体学变化，通过非常规原子位移，β晶格破坏形成非晶相;

(c) 根据冷却过程中(Ti₆₁₅Zr_0.385)_100-3.9x(Cu_2.3Fe_1.6)_x(0≤x≤1.5)合金的DCS测量数据所得的亚稳态相图。

【小结】

此类马氏体非晶化属于普遍现象，可在铸态Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Co_1.6和Ti_59.1Zr₃₇Cu_2.3Ni_1.6合金中观测到。对于特定成分的β钛合金，马氏体相变过程中的局域晶格切变和畸变使得结构无序的非晶相相对于晶态相更容易形成，导致马氏体非晶化的出现。这种非晶相可被称为“非晶马氏体”。多晶型固态非晶化能够以马氏体相变的形式进行，遵循融化的Born标准。现有实验不仅提出一种可能的固态非晶化机制，且揭示了马氏体相变隐含机制和破坏性熔化之间的基本关联，这一发现丰富了固态非晶化机制和马氏体相变理论。

文献链接：Amorphous martensite in β-Ti alloys(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-02961-2)

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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