導(dǎo)讀:本文研究了冷軋TiNi_50.8的B2相中具有擴(kuò)展孿晶界的獨(dú)特人字形亞晶結(jié)構(gòu)的形成。及其對(duì)合金超彈性的影響。詳細(xì)的電子背散射衍射（EBSD）分析表明，在冷軋變形過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次道次后，在不同的方向上存在大量不同于基體晶粒的亞晶區(qū)。在亞粒區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了獨(dú)特的帶狀和人字形結(jié)構(gòu)，所有的邊界都被確定為重合點(diǎn)陣（CSL）邊界。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在[100]_B2取向晶粒中，周期性的<011>_B2和<001>_B2傾斜軸垂直于變形表面法線方向后，自發(fā)的CSL邊界生成，形成了人字形結(jié)構(gòu)中特有的四重結(jié)，與帶狀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的單一[011]_B2傾斜軸不同。透射電鏡（TEM）鑒定出B2孿晶關(guān)系對(duì)應(yīng)于特殊的CSLΣ邊界，而暗場(chǎng)和高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）圖像顯示B19 ^'馬氏體納米疇裝飾孿晶邊界。這種擴(kuò)展的孿晶界結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了循環(huán)穩(wěn)定的超彈性，模量降低27%，可恢復(fù)應(yīng)變?cè)黾?/span>76%，經(jīng)過(guò)100次訓(xùn)練循環(huán)后，與固溶處理的樣品相比。本研究為冷軋后TiNi SMA的微觀結(jié)構(gòu)演變和超彈性性能的增強(qiáng)提供了新的見(jiàn)解，并為通過(guò)簡(jiǎn)單的冷軋工藝引入具有馬氏體-納米疇嵌套B2孿晶的特殊亞晶結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化SMA的功能提供了一種新方法。

鎳基合金因其優(yōu)異的力學(xué)和功能特性而成為應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金。先前變形已被證明會(huì)顯著影響TiNi SMA的微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能特征。充分的冷加工可以深刻地改變假?gòu)椥裕瑥亩鴾p少遲滯，提高強(qiáng)度，降低彈性模量，增強(qiáng)抗疲勞能力，擴(kuò)大工作溫度范圍。大量變形缺陷與馬氏體孿晶之間的相互作用是中等冷拔馬氏體TiNi_49.8合金線性超彈性的機(jī)制，這是通過(guò)馬氏體微孿晶的出現(xiàn)和消失來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在嚴(yán)重冷拔的TiNi_50.9合金中，非晶和納米晶B2母相是表現(xiàn)出最小遲滯超彈性時(shí)重要的局部組織特征。因此，冷加工處理已被廣泛用于定制TiNi SMA的微觀結(jié)構(gòu)，針對(duì)各種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能特性。其中包括細(xì)化晶粒以減少應(yīng)力-應(yīng)變滯后，形成由納米晶和非晶相組成的復(fù)合材料以獲得大彈性應(yīng)變和高疲勞抗力，以及發(fā)展梯度納米結(jié)構(gòu)以改變超彈性。

通過(guò)各種變形處理，包括等徑角擠壓、冷拔和冷軋，相變相關(guān)的孿生機(jī)制已被有效地利用來(lái)細(xì)化TiNi SMA的晶粒組織。目前，變形誘導(dǎo)微觀組織細(xì)化的設(shè)計(jì)主要集中在嚴(yán)重塑性變形中引入高密度缺陷，包括非晶化。先前的研究發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)重冷軋的TiNi SMA中，在納米尺度晶格畸變下，B19 ^'納米疇的有限轉(zhuǎn)變是寬溫度范圍內(nèi)具有循環(huán)穩(wěn)定性的準(zhǔn)線性超彈性的起源。然而，高密度缺陷和不可轉(zhuǎn)化非晶相的嚴(yán)格結(jié)構(gòu)限制了整體功輸出。

為了充分利用優(yōu)化母相微觀結(jié)構(gòu)的潛力，通過(guò)控制變形加工獲得理想的SMA力學(xué)和功能性能，西安交通大學(xué)通過(guò)重復(fù)冷軋變形（20道次總厚度減少15%），探索了在具有擴(kuò)展孿晶邊界的NiTi B2母相中構(gòu)建一種新的亞晶結(jié)構(gòu)，并研究了這種特殊的亞晶結(jié)構(gòu)對(duì)MT過(guò)程和應(yīng)力-應(yīng)變行為的潛在影響。利用電子背散射衍射（EBSD）、透射電子顯微鏡（TEM）和掃描透射電子顯微鏡高角環(huán)形暗場(chǎng)成像（STEM-HAADF）對(duì)孿晶特征進(jìn)行了研究。在豐富的重合點(diǎn)陣（CSL） Σ邊界下，確定了不同的周期性錯(cuò)取向軸，構(gòu)建了自適應(yīng)層狀人字B2孿晶結(jié)構(gòu)。TEM選擇區(qū)域衍射圖（SADP）、暗場(chǎng)圖像和HAADF圖像顯示B2孿晶關(guān)系對(duì)應(yīng)Σ邊界，B19 ^'馬氏體納米疇裝飾孿晶邊界。通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)和控制馬氏體納米疇在人字亞晶結(jié)構(gòu)孿晶界的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了具有最小遲滯和大可恢復(fù)應(yīng)變的循環(huán)穩(wěn)定超彈性。

相關(guān)研究成果以“Novel sub-grain structures in B2 of a cold-rolled TiNi shape memory alloy with unique property”發(fā)表在Acta Materialid上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424009777

圖1  ST和CR試樣微觀結(jié)構(gòu)的SEM觀察。

（a-c） ST樣品的SEM后向散射圖、EBSD IPF圖和IPF取向均顯示為隨機(jī)取向的等軸晶粒。(d) CR樣品的SEM后向散射圖。(e)在CR樣品的選定變形顆粒內(nèi)的EBSD IPF圖。

(f) (e)中整個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的法向IPF取向（ND），黑色為原始基體晶粒取向，紅色為變形后的新取向。ND是指樣品的表面法線方向。

使用SEM-BSE和EBSD技術(shù)檢查和比較ST和CR樣品的微觀結(jié)構(gòu)，如圖1（af）所示。圖1(a)為ST試樣預(yù)變形后的BSE圖像，法向（ND）平行于CR試樣的壓縮減厚方向，顯示了ST試樣的晶粒結(jié)構(gòu)。與BSE圖像相對(duì)應(yīng)的EBSD逆極圖（IPF）顯示，圖1(b)中B2母相的等軸晶粒平均粒徑為47µm。圖1(c)中沿ND方向匯總的EBSD IPF表明ST樣品中晶粒的方向分布是隨機(jī)的。相比之下，圖1(d)顯示了CR樣品的BSE圖像中顆粒內(nèi)部豐富的變形特征。為了獲得更清晰的變形微觀結(jié)構(gòu)視圖，EBSD分析集中在單個(gè)晶粒區(qū)域，如圖1(e)所示。圖1(d)中紅色方框所表示的晶粒對(duì)應(yīng)的IPF圖顯示該區(qū)域?yàn)?/span>B2相，沒(méi)有殘余的馬氏體相。所分析的晶?；w沿ND方向的晶向接近[100]_B2。然而，在晶粒內(nèi)部，觀察到許多與基體取向不同的區(qū)域。特別是不同的特征，如圖1(e)所示，黑色方框所表示的“帶狀”特征和白色方框所表示的“人字形”特征。因此，圖1(e)中整個(gè)晶粒區(qū)域的IPF表明，在[100]_B2附近出現(xiàn)了與原始晶粒明顯偏離的新亞晶粒取向，如圖1(f)中紅色所示。因此，在CR樣品中發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的亞晶特征，B2母相的取向急劇改變。總的來(lái)說(shuō)，帶狀結(jié)構(gòu)非常普遍，與晶粒取向無(wú)關(guān)，而人字形結(jié)構(gòu)則更為罕見(jiàn)，僅在[001]_B2取向的晶粒內(nèi)。

圖2兩個(gè)典型亞粒特征的EBSD IPF圖和極點(diǎn)圖。

（a-b）沿單個(gè)<011>_B2傾斜軸的取向錯(cuò)誤的波段結(jié)構(gòu)。

（c-d）沿兩個(gè)垂直的<011>_B2傾斜軸方向錯(cuò)誤的人字形結(jié)構(gòu)。

圖3人字骨狀結(jié)構(gòu)中相鄰層對(duì)應(yīng)的兩個(gè)垂直<011>_B2錯(cuò)向傾斜軸極點(diǎn)圖的EBSD分析。

 圖4CSL Σ波段（a和c）和人字形（b和d）結(jié)構(gòu)內(nèi)的邊界識(shí)別和總結(jié)。

表1人字形結(jié)構(gòu)中沿<011>傾斜軸檢測(cè)到的CSL。

 圖5在<011>傾斜軸的CSL Σ邊界繪制在帶和人字形結(jié)構(gòu)中。

(a)波段結(jié)構(gòu)中所有CSL Σ邊界沿<011>傾斜軸。

(b) <011>傾斜軸的CSL僅構(gòu)成人字形結(jié)構(gòu)的垂直邊界。

（c-j） <011>傾斜軸上不同CSL Σ邊界的詳細(xì)定向錯(cuò)誤分布圖。此處顯示的所有剖面都來(lái)自人字結(jié)構(gòu)，但相同的CSL邊界在帶狀或人字結(jié)構(gòu)中都表現(xiàn)出相同的定向錯(cuò)誤剖面。

 圖6(a) <001>_B2和<012>_B2傾斜軸的csl為人字形結(jié)構(gòu)的水平邊界。

（b-i） <001>_B2和<012>_B2傾斜軸不同CSL Σ邊界的詳細(xì)定向錯(cuò)誤剖面。

 表2人字形結(jié)構(gòu)沿<001>_B2和<012 >_b2傾斜軸的CSL為水平邊界。

圖7{114}_B2和{332}_B2孿晶對(duì)應(yīng)人字形結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的Σ9和Σ11邊界的TEM表征。

（a-b）一對(duì){114}_B2雙星的亮場(chǎng)圖像和SADP。（d-e） {332}_B2雙星的亮場(chǎng)圖像和SADP。（c, f）選取B19′相的附加衍射點(diǎn)（用藍(lán)色圓圈表示，對(duì)應(yīng)于SADPs中的孿生區(qū)域）的暗場(chǎng)圖像顯示雙邊界嵌套的B19′納米疇。

 圖8雙穩(wěn)定B19′相的TEM和HAADF觀察。

(a)僅在B2雙波段內(nèi)對(duì)(b)中選定區(qū)域衍射的TEM圖像和區(qū)域，用紅色虛線圈突出顯示。

(b)紅色箭頭所示的B19′相衍射斑。(c) B2孿晶內(nèi)B19 '納米結(jié)構(gòu)域的HAADF圖像（用紅色虛線橢圓突出顯示）。

(d)對(duì)應(yīng)于(c)的B19^′FFT反射，如紅色箭頭所示。B2和B19′衍射斑的指標(biāo)均符合（001）[010]_B19′//(100)[110]_B2取向關(guān)系。注意FFT反射的延伸率垂直于B19 '納米疇延伸率的方向。

 圖9[110]_B2區(qū)軸雙邊界嵌套B19 '納米結(jié)構(gòu)域的S/TEM-HAADF觀測(cè)。

（a-c） HAADF圖像顯示B19 '納米結(jié)構(gòu)域位于不同孿晶界兩側(cè)。

（d-f） HAADF圖像對(duì)應(yīng)的FFT反射顯示鏡像孿晶關(guān)系和與共同孿晶邊界相關(guān)的平面法線方向。

（g-i）通過(guò)選擇B19′相的反射產(chǎn)生B19′納米疇的IFFT圖像。

圖10  ST和CR試樣超彈性的循環(huán)拉伸試驗(yàn)。

（a-b）循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)。紅色虛線給出了用每個(gè)周期初始應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的斜率來(lái)計(jì)算楊氏模量的方法。

（c-d）可恢復(fù)應(yīng)變和楊氏模量與拉伸循環(huán)數(shù)的關(guān)系。

 圖11 <011>_B2和<001>_B2傾斜軸上的周期性CSL示意圖，構(gòu)成典型的人字形結(jié)構(gòu)的四重結(jié)。(a)不同傾斜軸的CSL，構(gòu)成人字骨狀結(jié)構(gòu)。

(b)放大典型的四重結(jié)，分析沿<011>_B2和<001>_B2不同傾斜軸穿過(guò)CSL Σ邊界的取向偏差關(guān)系。(c)平行于試樣軋制表面ND的基體晶粒[100]_B2方向的立體投影。

(d)錯(cuò)位角和傾斜軸形成CSLs Σ邊界示意圖。識(shí)別出的<011>_B2和<001>_B2傾斜軸可以通過(guò)平行于變形試樣表面ND的基體晶粒繞[100]_B2方向周期性旋轉(zhuǎn)45^?來(lái)實(shí)現(xiàn)，如(c)中的黑色箭頭所示。

 圖12(a)與（20）_B19’孿晶通過(guò)B2→B19’→B19_T→B2_T非相變途徑形成（14）_B2孿晶（CSL Σ9邊界）的示意圖。

(b)納米級(jí)B19′馬氏體嵌套的擴(kuò)展（14）_B2孿晶界的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和整體能量格局示意圖。

 圖13在豐富的CSL Σ邊界和孿晶結(jié)構(gòu)約束下，應(yīng)力誘導(dǎo)B19 '納米結(jié)構(gòu)域持續(xù)生長(zhǎng)的微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖。

本研究通過(guò)多道次冷軋變形Ti_49.2Ni_50.8 (at.%采用SEM-EBSD、TEM、S/TEM和拉伸試驗(yàn)對(duì)合金進(jìn)行了全面的表征。觀察到豐富的亞晶CSL Σ邊界，主要沿<011>B2軸傾斜，形成獨(dú)特的人字形結(jié)構(gòu)。主要成果如下：

(1)人字形結(jié)構(gòu)由<011>_B2傾斜軸上的CSL為垂直邊界，<001 >_b2和<012 >_b2傾斜軸上的CSL為水平邊界組成。

(2)構(gòu)造人字形結(jié)構(gòu)的CSL的傾斜軸是垂直的變形表面的法線方向，特別是[100]_B2方向。這些傾斜軸（[011],[010]，[011]和[001]）的周期性45^?旋轉(zhuǎn)是在一個(gè)典型的四重結(jié)中觀察到的，構(gòu)建了人字結(jié)構(gòu)。

(3)觀察到擴(kuò)展的孿晶結(jié)構(gòu)，其邊界被B19納米結(jié)構(gòu)域修飾。與常規(guī)應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的固溶處理試樣相比，豐富的亞晶結(jié)構(gòu)和B19′-納米疇嵌套B2孿晶相的存在有利于低模量和大可恢復(fù)應(yīng)變的循環(huán)穩(wěn)定超彈性。

(4)為TiNi SMA的微觀組織設(shè)計(jì)提供了重要的見(jiàn)解，通過(guò)控制變形處理開(kāi)發(fā)具有優(yōu)化力學(xué)和功能性能的合金鋪平了道路。