导读:本文研究了冷轧TiNi_50.8的B2相中具有扩展孪晶界的独特人字形亚晶结构的形成。及其对合金超弹性的影响。详细的电子背散射衍射（EBSD）分析表明，在冷轧变形过程中，经过多次道次后，在不同的方向上存在大量不同于基体晶粒的亚晶区。在亚粒区域内出现了独特的带状和人字形结构，所有的边界都被确定为重合点阵（CSL）边界。进一步分析发现，在[100]_B2取向晶粒中，周期性的<011>_B2和<001>_B2倾斜轴垂直于变形表面法线方向后，自发的CSL边界生成，形成了人字形结构中特有的四重结，与带状结构中发现的单一[011]_B2倾斜轴不同。透射电镜（TEM）鉴定出B2孪晶关系对应于特殊的CSLΣ边界，而暗场和高角度环形暗场（HAADF）图像显示B19 ^'马氏体纳米畴装饰孪晶边界。这种扩展的孪晶界结构大大增强了循环稳定的超弹性，模量降低27%，可恢复应变增加76%，经过100次训练循环后，与固溶处理的样品相比。本研究为冷轧后TiNi SMA的微观结构演变和超弹性性能的增强提供了新的见解，并为通过简单的冷轧工艺引入具有马氏体-纳米畴嵌套B2孪晶的特殊亚晶结构来优化SMA的功能提供了一种新方法。

镍基合金因其优异的力学和功能特性而成为应用最广泛的形状记忆合金。先前变形已被证明会显著影响TiNi SMA的微观结构和相关功能特征。充分的冷加工可以深刻地改变假弹性，从而减少迟滞，提高强度，降低弹性模量，增强抗疲劳能力，扩大工作温度范围。大量变形缺陷与马氏体孪晶之间的相互作用是中等冷拔马氏体TiNi_49.8合金线性超弹性的机制，这是通过马氏体微孪晶的出现和消失来实现的。在严重冷拔的TiNi_50.9合金中，非晶和纳米晶B2母相是表现出最小迟滞超弹性时重要的局部组织特征。因此，冷加工处理已被广泛用于定制TiNi SMA的微观结构，针对各种机制来实现所需的功能特性。其中包括细化晶粒以减少应力-应变滞后，形成由纳米晶和非晶相组成的复合材料以获得大弹性应变和高疲劳抗力，以及发展梯度纳米结构以改变超弹性。

通过各种变形处理，包括等径角挤压、冷拔和冷轧，相变相关的孪生机制已被有效地利用来细化TiNi SMA的晶粒组织。目前，变形诱导微观组织细化的设计主要集中在严重塑性变形中引入高密度缺陷，包括非晶化。先前的研究发现，在严重冷轧的TiNi SMA中，在纳米尺度晶格畸变下，B19 ^'纳米畴的有限转变是宽温度范围内具有循环稳定性的准线性超弹性的起源。然而，高密度缺陷和不可转化非晶相的严格结构限制了整体功输出。

为了充分利用优化母相微观结构的潜力，通过控制变形加工获得理想的SMA力学和功能性能，西安交通大学通过重复冷轧变形（20道次总厚度减少15%），探索了在具有扩展孪晶边界的NiTi B2母相中构建一种新的亚晶结构，并研究了这种特殊的亚晶结构对MT过程和应力-应变行为的潜在影响。利用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜高角环形暗场成像（STEM-HAADF）对孪晶特征进行了研究。在丰富的重合点阵（CSL） Σ边界下，确定了不同的周期性错取向轴，构建了自适应层状人字B2孪晶结构。TEM选择区域衍射图（SADP）、暗场图像和HAADF图像显示B2孪晶关系对应Σ边界，B19 ^'马氏体纳米畴装饰孪晶边界。通过应力诱导和控制马氏体纳米畴在人字亚晶结构孪晶界的生长，实现了具有最小迟滞和大可恢复应变的循环稳定超弹性。

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

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

图1  ST和CR试样微观结构的SEM观察。

（a-c） ST样品的SEM后向散射图、EBSD IPF图和IPF取向均显示为随机取向的等轴晶粒。(d) CR样品的SEM后向散射图。(e)在CR样品的选定变形颗粒内的EBSD IPF图。

(f) (e)中整个区域对应的法向IPF取向（ND），黑色为原始基体晶粒取向，红色为变形后的新取向。ND是指样品的表面法线方向。

使用SEM-BSE和EBSD技术检查和比较ST和CR样品的微观结构，如图1（af）所示。图1(a)为ST试样预变形后的BSE图像，法向（ND）平行于CR试样的压缩减厚方向，显示了ST试样的晶粒结构。与BSE图像相对应的EBSD逆极图（IPF）显示，图1(b)中B2母相的等轴晶粒平均粒径为47µm。图1(c)中沿ND方向汇总的EBSD IPF表明ST样品中晶粒的方向分布是随机的。相比之下，图1(d)显示了CR样品的BSE图像中颗粒内部丰富的变形特征。为了获得更清晰的变形微观结构视图，EBSD分析集中在单个晶粒区域，如图1(e)所示。图1(d)中红色方框所表示的晶粒对应的IPF图显示该区域为B2相，没有残余的马氏体相。所分析的晶粒基体沿ND方向的晶向接近[100]_B2。然而，在晶粒内部，观察到许多与基体取向不同的区域。特别是不同的特征，如图1(e)所示，黑色方框所表示的“带状”特征和白色方框所表示的“人字形”特征。因此，图1(e)中整个晶粒区域的IPF表明，在[100]_B2附近出现了与原始晶粒明显偏离的新亚晶粒取向，如图1(f)中红色所示。因此，在CR样品中发现了独特的亚晶特征，B2母相的取向急剧改变。总的来说，带状结构非常普遍，与晶粒取向无关，而人字形结构则更为罕见，仅在[001]_B2取向的晶粒内。

图2两个典型亚粒特征的EBSD IPF图和极点图。

（a-b）沿单个<011>_B2倾斜轴的取向错误的波段结构。

（c-d）沿两个垂直的<011>_B2倾斜轴方向错误的人字形结构。

图3人字骨状结构中相邻层对应的两个垂直<011>_B2错向倾斜轴极点图的EBSD分析。

 图4CSL Σ波段（a和c）和人字形（b和d）结构内的边界识别和总结。

表1人字形结构中沿<011>倾斜轴检测到的CSL。

 图5在<011>倾斜轴的CSL Σ边界绘制在带和人字形结构中。

(a)波段结构中所有CSL Σ边界沿<011>倾斜轴。

(b) <011>倾斜轴的CSL仅构成人字形结构的垂直边界。

（c-j） <011>倾斜轴上不同CSL Σ边界的详细定向错误分布图。此处显示的所有剖面都来自人字结构，但相同的CSL边界在带状或人字结构中都表现出相同的定向错误剖面。

 图6(a) <001>_B2和<012>_B2倾斜轴的csl为人字形结构的水平边界。

（b-i） <001>_B2和<012>_B2倾斜轴不同CSL Σ边界的详细定向错误剖面。

 表2人字形结构沿<001>_B2和<012 >_b2倾斜轴的CSL为水平边界。

图7{114}_B2和{332}_B2孪晶对应人字形结构中最常见的Σ9和Σ11边界的TEM表征。

（a-b）一对{114}_B2双星的亮场图像和SADP。（d-e） {332}_B2双星的亮场图像和SADP。（c, f）选取B19′相的附加衍射点（用蓝色圆圈表示，对应于SADPs中的孪生区域）的暗场图像显示双边界嵌套的B19′纳米畴。

 图8双稳定B19′相的TEM和HAADF观察。

(a)仅在B2双波段内对(b)中选定区域衍射的TEM图像和区域，用红色虚线圈突出显示。

(b)红色箭头所示的B19′相衍射斑。(c) B2孪晶内B19 '纳米结构域的HAADF图像（用红色虚线椭圆突出显示）。

(d)对应于(c)的B19^′FFT反射，如红色箭头所示。B2和B19′衍射斑的指标均符合（001）[010]_B19′//(100)[110]_B2取向关系。注意FFT反射的延伸率垂直于B19 '纳米畴延伸率的方向。

 图9[110]_B2区轴双边界嵌套B19 '纳米结构域的S/TEM-HAADF观测。

（a-c） HAADF图像显示B19 '纳米结构域位于不同孪晶界两侧。

（d-f） HAADF图像对应的FFT反射显示镜像孪晶关系和与共同孪晶边界相关的平面法线方向。

（g-i）通过选择B19′相的反射产生B19′纳米畴的IFFT图像。

图10  ST和CR试样超弹性的循环拉伸试验。

（a-b）循环拉伸应力-应变循环。红色虚线给出了用每个周期初始应力-应变响应的斜率来计算杨氏模量的方法。

（c-d）可恢复应变和杨氏模量与拉伸循环数的关系。

 图11 <011>_B2和<001>_B2倾斜轴上的周期性CSL示意图，构成典型的人字形结构的四重结。(a)不同倾斜轴的CSL，构成人字骨状结构。

(b)放大典型的四重结，分析沿<011>_B2和<001>_B2不同倾斜轴穿过CSL Σ边界的取向偏差关系。(c)平行于试样轧制表面ND的基体晶粒[100]_B2方向的立体投影。

(d)错位角和倾斜轴形成CSLs Σ边界示意图。识别出的<011>_B2和<001>_B2倾斜轴可以通过平行于变形试样表面ND的基体晶粒绕[100]_B2方向周期性旋转45^◦来实现，如(c)中的黑色箭头所示。

 图12(a)与（20）_B19’孪晶通过B2→B19’→B19_T→B2_T非相变途径形成（14）_B2孪晶（CSL Σ9边界）的示意图。

(b)纳米级B19′马氏体嵌套的扩展（14）_B2孪晶界的结构状态和整体能量格局示意图。

 图13在丰富的CSL Σ边界和孪晶结构约束下，应力诱导B19 '纳米结构域持续生长的微观结构演化示意图。

本研究通过多道次冷轧变形Ti_49.2Ni_50.8 (at.%采用SEM-EBSD、TEM、S/TEM和拉伸试验对合金进行了全面的表征。观察到丰富的亚晶CSL Σ边界，主要沿<011>B2轴倾斜，形成独特的人字形结构。主要成果如下：

(1)人字形结构由<011>_B2倾斜轴上的CSL为垂直边界，<001 >_b2和<012 >_b2倾斜轴上的CSL为水平边界组成。

(2)构造人字形结构的CSL的倾斜轴是垂直的变形表面的法线方向，特别是[100]_B2方向。这些倾斜轴（[011],[010]，[011]和[001]）的周期性45^◦旋转是在一个典型的四重结中观察到的，构建了人字结构。

(3)观察到扩展的孪晶结构，其边界被B19纳米结构域修饰。与常规应力诱导马氏体相变的固溶处理试样相比，丰富的亚晶结构和B19′-纳米畴嵌套B2孪晶相的存在有利于低模量和大可恢复应变的循环稳定超弹性。

(4)为TiNi SMA的微观组织设计提供了重要的见解，通过控制变形处理开发具有优化力学和功能性能的合金铺平了道路。