鈦合金的強(qiáng)度主要取決于第二相α析出相與β基體之間的起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用的界面。因此，了解、預(yù)測(cè)和控制α析出相的尺寸、形貌和空間分布，包括其取向的變化，對(duì)于針對(duì)特定應(yīng)用的最佳性能，設(shè)計(jì)微觀組織是非常必要的。在晶界處或附近α析出相的兩種獨(dú)特的形貌，即在β熱處理加工經(jīng)常觀察到的無定型α(GBα)和魏氏體(WS)。認(rèn)為在晶界處或附近α析出相的取向和形貌取決于在特定晶界的GBα變體選擇。GBα的變體選擇(VS)在很大程度上是由宏觀上的取向差特征的晶界結(jié)構(gòu)和晶界平面(GBP)傾斜角所決定。研究表明α在β晶界的析出時(shí)變體選擇仍存在潛在機(jī)制，而且GBα變體的慣習(xí)面相對(duì)于GBP可能產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的傾斜角(以下定義為θ)。來自哈工大（深圳）等單位的研究者結(jié)合三維(3D)相場(chǎng)模擬和三維實(shí)驗(yàn)表征，采用聚焦離子束/掃描電子顯微鏡(FIB/SEM)形貌和晶體取向分析，研究了對(duì)晶界析出相形貌發(fā)展的影響。相關(guān)論文以題為“Origin of morphological variation of grain boundary precipitates in titanium alloys”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114651

在β晶界處或附近有β晶粒被三種α板條修飾。對(duì)這三種晶界析出相的變體選擇行為分析表明，GBP傾斜決定了GBα的變體選擇，而非晶界取向錯(cuò)。GBα1、GBα2和GBα3的傾斜角θ有些隨機(jī)，分別為73.18°、0°和90°。因此，只有GBα2的VS可能符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。為了闡明晶界處α析出相形貌變化的物理機(jī)理，采用彈性和結(jié)構(gòu)非均勻系統(tǒng)的三維相場(chǎng)模型，模擬了Ti-6Al-4V中在β晶界處α析出相的形核長(zhǎng)大過程。模擬結(jié)果表明，α析出相沿GBP的橫向生長(zhǎng)和由來自GBα的α板條演變之間的動(dòng)態(tài)相互作用決定了最終的形貌，兩者都對(duì)于θ十分敏感。隨著θ的增加WS的生長(zhǎng)優(yōu)于GBα沿晶界的橫向生長(zhǎng)。因此，隨著θ的增大，有一個(gè)逐漸的形貌轉(zhuǎn)變，從GBα片層和WS的混合物，到一個(gè)單獨(dú)的直接源于GBP的WS。根據(jù)θ的大小，兩個(gè)過程可以相互競(jìng)爭(zhēng)，也可以相互補(bǔ)充。例如當(dāng)θ=0°時(shí)，慣習(xí)面有明顯的趨勢(shì)平行于GBP。這樣不僅使GBα消除的晶界面積最大化，而且使彈性應(yīng)變能最小化。因此，具有相同取向的多個(gè)α析出相的生長(zhǎng)和隨后的合并形成一個(gè)GBα片層，而不是WS。一個(gè)最佳的形狀與一個(gè)定義明確的慣習(xí)面取向?yàn)閷?duì)于一定體積的析出相提供了一個(gè)相對(duì)低界面能以及低彈性應(yīng)變能的沉淀與給定體積,任何偏離(θ),將導(dǎo)致這些能上升。因此，當(dāng)θ增大時(shí)，由于伴隨的“有問題”習(xí)慣面的發(fā)展將導(dǎo)致應(yīng)變能和界面能的顯著增加，在GBP上的橫向演變或擴(kuò)散將逐漸受到抑制。

圖1 (a) BSE圖像，(b) EBSD OIM圖像;(c)重建的β相取向圖;(d)在晶界及其附近的α析出相3D圖像;(e)-(f):GBα1、GBα2和GBα3在不同取向上的三維形貌。

圖2在β晶界處單個(gè)α析出相形貌演變

圖3在β晶界(t = 5.0 s)下，單個(gè)α析出相形貌與θ的關(guān)系。

圖4

圖5 α沉淀在β晶界成核的形貌演變。θ=30°

綜上所述，研究結(jié)果代表了對(duì)鈦合金力學(xué)性能有深遠(yuǎn)影響的第二相沉淀物關(guān)鍵顯微組織特征的形成機(jī)理方面取得的重要進(jìn)展。此外，使用先進(jìn)的3D計(jì)算和表征工具來研究復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)適用于鈦合金以外的各種金屬材料。

審核編輯 ：李倩