钛合金中马氏体

英文

martensite in titanium alloy

简介

钛合金经马氏体转变形成的产物。α、近α和α+β型钛合金自β相区空冷或快冷后的组织是马氏体或主要是马氏体。亚稳β型钛合金变形后亦可产生马氏体。

类型 钛合金中有4种马氏体：惯习面为{334}β的、无孪晶结构的{334}型单晶六方马氏体;惯习面为{344)β的、有孪晶结构的{344}型孪晶六方马氏体;由六方结构衍生的斜方马氏体;面心立方或面心正方马氏体。

(1){334}型单晶六方马氏体片内基本上无孪晶，与基体β相间大致遵循柏格斯位向关系，即(0001)α‖{110}β;<1120>α‖<111>β。转变发生的特定惯习面限制在与{110}β呈接近于90°的那些变量中，而{110}β面中的特定面转变成基面，即惯习面约与基面成90°。例如，很多低合金钛合金马氏体的惯习面约与基面呈87°。这类马氏体最常见，可视为含少量β稳定元素的α-Ti过饱和固溶体。

(2){344}型六方马氏体片内存在着高密度位错、堆垛层错和孪晶(常为{1011}α孪晶)。马氏体与β相间近似遵循(0001)α‖{110}β;<1120>α‖<111>β的位向关系。惯习面近似地与基面呈90°，例如，Ti-5Mn合金中{344}马氏体的惯习面约与基面呈83°。这类马氏体可看成是固溶有较高浓度β稳定元素的α-Ti过饱和固溶体。

(3)斜方马氏体具有3个轴长不等但相互垂直的晶轴。马氏体片内可能无孪晶亦可能存在孪晶，近似地遵循{001}‖{110}β<110>‖<111>β的位向关系。可以认为斜方马氏体是由六方结构衍生而得。当β相中固溶有较多合金元素原子时，淬火冷却发生结构变化过程中原子排列略有变化，破坏了α相的六方对称，衍化成c轴小于b轴的低矮斜方对称。斜方马氏体在有较高β稳定元素的钛合金(如钛-钒、钛-钽、钛-铌、钛-钼、钛-钨、钛-铼等合金系)中发现。

(4)面心立方或面心正方马氏体是孪晶马氏体，在马氏体片内有一组或两组{111}孪晶。这类马氏体在Ti-20V、Ti-11.6Mo、Ti-7Cr、Ti-5Mn等合金的薄膜中观察到。

转变机制 马氏体转变是一无扩散型切变相变。根据马氏体转变晶体学理论，钛合金从体心立方的β相转变成斜方、六方和面心立方或面心正方马氏体，除了有一个均匀切变来产生必要的形状改变外，还需要有一个补充的切变，在不再引起形状改变的前提下，使由均匀切变产生的结构畸变成马氏体点阵。

钛合金中马氏体转变以形核和晶核长大的方式进行，马氏体形核亦可能是热激活的。

影响因素 从工业生产角度来看，生成马氏体的临界冷却速度和马氏体开始形成温度Ms是两个重要参数，这两参数主要与合金元素性质和含量有关。

合金元素种类和含量对Ms点的影响在很大程度上与它们对β相的稳定作用一致，在周期表上的位置也反映了一定的规律性(见图)。锆与钛同族、同型，在周期表中紧邻，与钛形成β同晶、α同晶系相图，微弱稳定β相，故稍降低M_s点。铌、钒、钼、铬、锰和铁为体心立方结构，稳定β相，使M_s降低。这些元素在周期表中距钛愈远，β相稳定作用增强，M_s降低愈甚。从铁开始，钴、镍、铜、银均具面心立方结构，对β相的稳定作用不断减弱。铝稳定α相，故使M_s上升。从锡到铅、铋，原子直径增大，固溶到较不密堆的β相中较固溶到α相中更有利，故有稳定β相作用，使Ms降低。