摘要
钛及钛合金由于其高比强度、高耐蚀性和良好的生物相容性而被广泛应用于航空航天领域。而对于钛及钛合金微观变形机制的研究有助于人们将其微观结构与宏观性能相关联，从而为设计制造高性能钛合金提供理论基础。尽管近些年来，随着表征分析及分析技术的进步，围绕钛及钛合金微观变形机制的研究取得了不小的突破，但是对于其中有关缺陷之间及缺陷与第二相的交互作用机制还不甚清楚，尤其是原子尺度变形带与第二相的交互作用机制还没有被揭示，而这对新型高强、高韧钛合金的设计及制造有着至关重要的作用，需要进一步的研究。 本文利用透射电子显微镜并结合先进的球差校正技术，对全片层Ti-6Al-4V合金中多种变形带的形核机制以及变形带与α/β相界面的交互作用机制等进行了研究，以期得到变形过程中α/β相界面对变形带的响应方式从而拓宽对α/β相界面在全片层Ti-6Al-4V变形过程中作用的理解，为进一步制备更强更韧的双相钛合金提供理论基础。主要结果如下: 全片层Ti-6Al-4V合金中α与β两相严格符合Burgers取向关系，且α与β两相之间有着台阶状的原子尺度界面，其中台面和阶面分别为(01(1)0)α‖((1)21)β和((1)100)α‖((1)01)β，这种界面结构符合TLK(Terrace-Ledge-Kink)模型。而全片层Ti-6Al-4V合金经过疲劳变形后，在疲劳裂纹周围会出现大量的{10(1)2}孪晶，研究表明这些孪晶是由塞积在α/β界面处的a2和a3位错分解产生的;此外，实验还发现{10(1)2}孪晶能够连续的穿过β相，通过晶体学分析并结合高分辨透射电子显微技术，可以证明当{10(1)2}孪晶与β相相遇时，会使得β相扭折进而促使孪生应变可以连续穿过β相，从而使{10(1)2}孪晶在全片层Ti-6Al-4V合金中可以连续扩展。这项研究丰富了人们对于孪晶与β相交互作用机制的认识，并表明裂尖大量孪晶的产生和连续扩展可以有效释放裂纹尖端的应力，为设计具有更高抗裂纹扩展能力的片层Ti-6Al-4V合金提供了理论基础。 在经过拉伸变形的全片层Ti-6Al-4V合金中，拉伸断口处也发现了大量的变形孪晶，利用选区电子衍射进行标定，发现除了{10(1)2）孪晶外，还存在着{11(2)1}孪晶;尽管{11(2)1）孪晶也同{10(1)2}孪晶一样可以连续穿过β相，但是其会在{11(2)1}孪晶与β相界面处诱导生成系列的{10(1)2}孪晶，进一步的晶体学分析也证明了是因为{11(2)1）孪晶与β相界面交互作用，从而导致界面处应力集中诱导产生了系列的{10(1)2）孪晶。此外，透射电镜表征和晶体学分析结果显示，（11(2)1）孪晶的孪生位错无法闯过α/β界面，而（11(2)1）孪晶最终借助于逐渐增大的孪生剪切应变场实现了在β相另一侧的孪晶形核和扩展，同时在这个过程中没有引起交互作用区域β相的塑性变形。研究结果显示{11(2)1}孪晶与β相的交互作用方式与{10(1)2}孪晶不同，从而进一步丰富了人们对于孪晶与β相交互作用的认知，为设计制造孪晶强化和韧化的双相钛合金提供了理论支持。 在经过拉伸变形的全片层Ti-6Al-4V合金中，还出现了除孪晶带外的多种变形带，实验观察到这些不同于孪晶带的变形带主要由滑移带和扭折带组成。其中滑移带主要沿(0001)面，使得β相沿(0002)α‖(101)β面被剪切开，并将高能面暴露出来，这些暴露的界面具有更高的界面能从而不稳定会发生分解;此外，在全片层Ti-6Al-4V合金中还出现了除孪晶带和滑移带之外的另一种变形带，通过选区电子衍射和菊池花样分析确定了这种变形带是由(10(1)0)柱面上的<a>位错塞积形成的扭折带;同时发现这种扭折带可以穿过β相，并诱导β相发生分解转换为α相，这可能是剧烈变形条件下β相发生马氏体相变所导致的。在这种情况下，β相的局部分解会促使位错滑移集中在β相分解的区域内，从而导致材料的软化和失效。通过对变形带与β相交互作用的研究，深化了对除滑移和孪生外的缺陷与β相交互作用机制的理解，为进一步认识钛合金的失效机制及强化机制提供了理论基础。
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