剧烈塑性变形条件下金属间化合物相变研究

Severe plastic deformation (SPD) has become a very attractive method to produce bulk submicro- to nanocrystalline metals and alloys exhibiting new mechanical and functional properties for advanced applications. The structural features of SPD are characterized not only by grain refinement but often also by disordering or even amorphization. So far, little is known about phase transformations in intermetallic compounds under SPD. Therefore, it is the aim of the project to study the deformation behavior of intermetallic compounds under SPD, and then the type, nucleation and kinetics of SPD-induced phase transformations occurring under high level of stresses, high strain, high dislocation density and high vacancy concentration. The method used will be high pressure torsion (HPT). Intermetallic compounds are torsion strained under a quasi-hydrostatic pressure up to 8 GPa. Focus will be put on two intermetallic systems, YCu and a TiAl-based multiphase alloy. Formation mechanisms of the displacive martensitic transformation in YCu and the diffusive transformation in titanium aluminide will be elucidated under SPD. Based on the above investigations, the physical models for the constitutive relations between the crystallography, microstructure and mechanical behavior are to be established. It may also allow the findings from this study to be used to improve the ductility of other intermetallic compounds.

剧烈塑性变形（Severe plastic deformation, SPD）使金属和合金产生晶粒细化、无序或非晶等独特的结构变化，成为制备性能优异的超细晶及纳米晶块体材料的有效方法。迄今，剧烈塑性变形条件下金属间化合物相变机理仍不清楚。本项目拟对金属间化合物施加高达8 GPa的压力，采用高压扭转（High pressure torsion, HPT）剧烈塑性变形方法，以YCu和TiAl金属间化合物为研究对象，研究金属间化合物剧烈塑性变形行为，进而研究剧烈塑性变形高应力、高应变、高位错密度和高空位浓度条件下诱发产生相变的种类、形核、热力学和动力学规律，阐明剧烈塑性变形条件下YCu金属间化合物中位移型马氏体相变和TiAl金属间化合物中扩散型相变的形成机制，构建剧烈塑性变形条件下金属间化合物相变的晶体学及微观结构与力学行为本构关系的物理模型。本项目可为改善金属间化合物塑性提供理论基础。

相变能够调控材料的微观结构进而影响材料的物理和化学性能。随着技术的进步，在剧烈塑性变形、低温、高压和高场等极端条件下研究相变成为可能。金属间化合物由于具有优异的高温强度、刚度和低的密度在航空航天等领域具有应用潜力，成为关注的研究热点之一。然而，其较低的室温塑性阻碍了它的广泛使用。因此，如果能够在极端条件下调控金属间化合物的相变，对改善其韧性将具有重要的理论意义。通过本项目的研究得到以下结果：(1) DyCu和YCu合金中均存在B2到B33的马氏体转变，CrB型B33马氏体具有正交结构，点阵常数为a = 0.38 nm、b = 1.22 nm和c = 0.40 nm；B33结构的马氏体和B2结构的基体之间的晶体学取向关系为： (11-1)[112]B33 // (110)[001]B2。(02-1)孪晶界存在于B33结构的马氏体中。(2) 温度和应力均可诱导YCu合金中产生B2到B27的马氏体转变，B27马氏体具有FeB型正交结构，点阵常数为a = 0.71 nm、b = 0.45 nm和c = 0.54 nm；B27结构的马氏体和B2结构的基体之间的晶体学取向关系近似为：(-111)[110]B27 // (11-2)[111]B2。在143到131 K之间由于马氏体的形成，YCu产生韧性到脆性的转变。(3) TiZr合金经过6 GPa和5道次的高压扭折变形(HPT)导致alpha到omega的相转变。(4) YAg合金在4 K温度下形变仍然表现出良好的塑性，在室温以及4 K温度下形变YAg合金里的位错柏氏矢量均为<100>。(5) Ti-45Al-4(Cr, Nb, Ta, B)金属间化合物HPT变形，可以诱导alpha2-Ti3Al到gamma-TiAl的扩散型相转变，该转变通过中间相Ti2Al和Ti1.4Al进行，并按台阶的方式长大。Ti2Al具有六方结构， Ti1.4Al为L12结构。HPT能够导致非晶结构的形成，应力指数和扩散激活能显示HPT形变是一个晶界滑移以及扩散控制的超塑性变形。(6) HPT导致Ti-47Al-4(Cr, Nb, Mn, Si, B)合金产生alpha2-Ti3Al到gamma-TiAl的相转变，并在位错优先形核。位错的柏氏矢量主要为[110]和[11-2]。HPT使粗晶层片状结构被破断，经动态再结晶形成的晶粒大约为5微米。