導讀:本文研究了冷軋TiNi_50.8的B2相中具有擴展孿晶界的獨特人字形亞晶結構的形成。及其對合金超彈性的影響。詳細的電子背散射衍射（EBSD）分析表明，在冷軋變形過程中，經過多次道次后，在不同的方向上存在大量不同于基體晶粒的亞晶區。在亞粒區域內出現了獨特的帶狀和人字形結構，所有的邊界都被確定為重合點陣（CSL）邊界。進一步分析發現，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，自發的CSL邊界生成，形成了人字形結構中特有的四重結，與帶狀結構中發現的單一[011]_B2傾斜軸不同。透射電鏡（TEM）鑒定出B2孿晶關系對應于特殊的CSLΣ邊界，而暗場和高角度環形暗場（HAADF）圖像顯示B19 ^'馬氏體納米疇裝飾孿晶邊界。這種擴展的孿晶界結構大大增強了循環穩定的超彈性，模量降低27%，可恢復應變增加76%，經過100次訓練循環后，與固溶處理的樣品相比。本研究為冷軋后TiNi SMA的微觀結構演變和超彈性性能的增強提供了新的見解，并為通過簡單的冷軋工藝引入具有馬氏體-納米疇嵌套B2孿晶的特殊亞晶結構來優化SMA的功能提供了一種新方法。

鎳基合金因其優異的力學和功能特性而成為應用最廣泛的形狀記憶合金。先前變形已被證明會顯著影響TiNi SMA的微觀結構和相關功能特征。充分的冷加工可以深刻地改變假彈性，從而減少遲滯，提高強度，降低彈性模量，增強抗疲勞能力，擴大工作溫度范圍。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制，這是通過馬氏體微孿晶的出現和消失來實現的。在嚴重冷拔的TiNi_50.9合金中，非晶和納米晶B2母相是表現出最小遲滯超彈性時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的微觀結構，針對各種機制來實現所需的功能特性。其中包括細化晶粒以減少應力-應變滯后，形成由納米晶和非晶相組成的復合材料以獲得大彈性應變和高疲勞抗力，以及發展梯度納米結構以改變超彈性。

通過各種變形處理，包括等徑角擠壓、冷拔和冷軋，相變相關的孿生機制已被有效地利用來細化TiNi SMA的晶粒組織。目前，變形誘導微觀組織細化的設計主要集中在嚴重塑性變形中引入高密度缺陷，包括非晶化。先前的研究發現，在嚴重冷軋的TiNi SMA中，在納米尺度晶格畸變下，B19 ^'納米疇的有限轉變是寬溫度范圍內具有循環穩定性的準線性超彈性的起源。然而，高密度缺陷和不可轉化非晶相的嚴格結構限制了整體功輸出。

為了充分利用優化母相微觀結構的潛力，通過控制變形加工獲得理想的SMA力學和功能性能，西安交通大學通過重復冷軋變形（20道次總厚度減少15%），探索了在具有擴展孿晶邊界的NiTi B2母相中構建一種新的亞晶結構，并研究了這種特殊的亞晶結構對MT過程和應力-應變行為的潛在影響。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形暗場成像（STEM-HAADF）對孿晶特征進行了研究。在豐富的重合點陣（CSL） Σ邊界下，確定了不同的周期性錯取向軸，構建了自適應層狀人字B2孿晶結構。TEM選擇區域衍射圖（SADP）、暗場圖像和HAADF圖像顯示B2孿晶關系對應Σ邊界，B19 ^'馬氏體納米疇裝飾孿晶邊界。通過應力誘導和控制馬氏體納米疇在人字亞晶結構孿晶界的生長，實現了具有最小遲滯和大可恢復應變的循環穩定超彈性。

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

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

圖1  ST和CR試樣微觀結構的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的EBSD IPF圖。

(f) (e)中整個區域對應的法向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技術檢查和比較ST和CR樣品的微觀結構，如圖1（af）所示。圖1(a)為ST試樣預變形后的BSE圖像，法向（ND）平行于CR試樣的壓縮減厚方向，顯示了ST試樣的晶粒結構。與BSE圖像相對應的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的。相比之下，圖1(d)顯示了CR樣品的BSE圖像中顆粒內部豐富的變形特征。為了獲得更清晰的變形微觀結構視圖，EBSD分析集中在單個晶粒區域，如圖1(e)所示。圖1(d)中紅色方框所表示的晶粒對應的IPF圖顯示該區域為B2相，沒有殘余的馬氏體相。所分析的晶粒基體沿ND方向的晶向接近[100]_B2。然而，在晶粒內部，觀察到許多與基體取向不同的區域。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)中整個晶粒區域的IPF表明，在[100]_B2附近出現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樣品中發現了獨特的亞晶特征，B2母相的取向急劇改變。總的來說，帶狀結構非常普遍，與晶粒取向無關，而人字形結構則更為罕見，僅在[001]_B2取向的晶粒內。

圖2兩個典型亞粒特征的EBSD IPF圖和極點圖。

（a-b）沿單個<011>_B2傾斜軸的取向錯誤的波段結構。

（c-d）沿兩個垂直的<011>_B2傾斜軸方向錯誤的人字形結構。

圖3人字骨狀結構中相鄰層對應的兩個垂直<011>_B2錯向傾斜軸極點圖的EBSD分析。

 圖4CSL Σ波段（a和c）和人字形（b和d）結構內的邊界識別和總結。

表1人字形結構中沿<011>傾斜軸檢測到的CSL。

 圖5在<011>傾斜軸的CSL Σ邊界繪制在帶和人字形結構中。

(a)波段結構中所有CSL Σ邊界沿<011>傾斜軸。

(b) <011>傾斜軸的CSL僅構成人字形結構的垂直邊界。

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

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

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

 表2人字形結構沿<001>_B2和<012 >_b2傾斜軸的CSL為水平邊界。

圖7{114}_B2和{332}_B2孿晶對應人字形結構中最常見的Σ9和Σ11邊界的TEM表征。

（a-b）一對{114}_B2雙星的亮場圖像和SADP。（d-e） {332}_B2雙星的亮場圖像和SADP。（c, f）選取B19′相的附加衍射點（用藍色圓圈表示，對應于SADPs中的孿生區域）的暗場圖像顯示雙邊界嵌套的B19′納米疇。

 圖8雙穩定B19′相的TEM和HAADF觀察。

(a)僅在B2雙波段內對(b)中選定區域衍射的TEM圖像和區域，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B19 '納米結構域的HAADF圖像（用紅色虛線橢圓突出顯示）。

(d)對應于(c)的B19^′FFT反射，如紅色箭頭所示。B2和B19′衍射斑的指標均符合（001）[010]_B19′//(100)[110]_B2取向關系。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區軸雙邊界嵌套B19 '納米結構域的S/TEM-HAADF觀測。

（a-c） HAADF圖像顯示B19 '納米結構域位于不同孿晶界兩側。

（d-f） HAADF圖像對應的FFT反射顯示鏡像孿晶關系和與共同孿晶邊界相關的平面法線方向。

（g-i）通過選擇B19′相的反射產生B19′納米疇的IFFT圖像。

圖10  ST和CR試樣超彈性的循環拉伸試驗。

（a-b）循環拉伸應力-應變循環。紅色虛線給出了用每個周期初始應力-應變響應的斜率來計算楊氏模量的方法。

（c-d）可恢復應變和楊氏模量與拉伸循環數的關系。

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

(b)放大典型的四重結，分析沿<011>_B2和<001>_B2不同傾斜軸穿過CSL Σ邊界的取向偏差關系。(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)錯位角和傾斜軸形成CSLs Σ邊界示意圖。識別出的<011>_B2和<001>_B2傾斜軸可以通過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45^?來實現，如(c)中的黑色箭頭所示。

 圖12(a)與（20）_B19’孿晶通過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B19′馬氏體嵌套的擴展（14）_B2孿晶界的結構狀態和整體能量格局示意圖。

 圖13在豐富的CSL Σ邊界和孿晶結構約束下，應力誘導B19 '納米結構域持續生長的微觀結構演化示意圖。

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

(1)人字形結構由<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)構造人字形結構的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^?旋轉是在一個典型的四重結中觀察到的，構建了人字結構。

(3)觀察到擴展的孿晶結構，其邊界被B19納米結構域修飾。與常規應力誘導馬氏體相變的固溶處理試樣相比，豐富的亞晶結構和B19′-納米疇嵌套B2孿晶相的存在有利于低模量和大可恢復應變的循環穩定超彈性。

(4)為TiNi SMA的微觀組織設計提供了重要的見解，通過控制變形處理開發具有優化力學和功能性能的合金鋪平了道路。