《Journal of Alloys and Compounds》：Orientation dependence mechanical properties of U-Ti alloy investigated by micropillar compression
编辑推荐：
U-Ti合金α'-马氏体的取向依赖变形行为及临界剪切应力通过微压缩测试与EBSD分析得出，(010)[100]和(001)[100]滑移系的CRSS分别为177.6±20 MPa和618.3±20 MPa，证实主导滑移系为前者，为晶体塑性模型提供实验数据并指导合金优化。
志远文|瑞文李|东丽邹|玉昭周|淑珊崔|文远王|传莫
中国工程物理研究院材料研究所，绵阳，621907，中国
摘要
本研究采用了一种新颖的微观力学测试方法，研究了U-Ti合金α'-马氏体中滑移系的取向依赖性变形行为和临界解析剪切应力（CRSS）。通过电子背散射衍射（EBSD）引导的聚焦离子束（FIB）铣削技术在单个α'-马氏体晶粒内制备了具有特定晶体取向的微柱（和）。准静态压缩试验揭示了明显的机械各向异性。通过对变形后微柱上的滑移痕迹、滑移系晶格几何结构以及特定加载方向下的Schmid因子的分析，确定（010)[100]和（001)[100]是激活的滑移系。基于Schmid因子分析和实验屈服应力，本研究首次实验测得了U-Ti合金马氏体中这些滑移系的CRSS值。（010)[100]和（001)[100]滑移系的CRSS值分别为177.6 ± 20 MPa和618.3 ± 20 MPa，表明U-Ti合金主要表现出（010)[100]滑移系。这些发现为晶体塑性模型提供了关键的定量参数，并为优化U-Ti合金的机械性能提供了重要见解。
引言
低Ti含量的铀钛合金（U-0.6%至1.0% Ti）通过顺序的固溶处理、淬火和时效处理过程形成完全针状的马氏体微观结构。这种微观结构具有相对较高的强度和密度，适用于结构应用[1],[2],[3]。U-Ti合金的制备通常包括三个阶段：在γ相固溶处理过程中，合金形成体心立方（bcc）结构的替代固溶体；随后的淬火诱导γ→α'马氏体转变，生成过饱和的α'针状马氏体；最终时效沉淀产生细小的六方密排（hcp）δ相U?Ti，这些δ相颗粒均匀分布在基体中。
以往的研究主要集中在Ti含量、热处理过程和时效硬化对机械性能的影响[4],[5],[6],[7],[8]。Ti的添加显著改变了铀合金的结构、性能和加工特性，使其从难以使用的金属转变为有用的工程材料。U-0.75% Ti的固溶处理、淬火和时效（STA）工艺需要在850 ℃下进行固溶处理，并在355 ℃下进行时效处理以达到所需的强度和伸长率。在快速冷却（淬火）过程中，富Ti的γ相通过剪切机制发生无扩散马氏体转变（γ → α'），形成过饱和的亚稳态相[9],[10]，这是后续时效硬化的先决条件。淬火过程中适量的Ti可以提高合金的淬透性，并促进细小针状马氏体的形成。淬火后的U-0.75% Ti马氏体相具有该合金最高的延展性。最终时效处理后，过饱和的马氏体分解，析出细小且均匀分布的U?Ti颗粒[1],[12],[13]。这些U?Ti颗粒作为关键的强化相，有效阻碍了位错的运动，显著提高了合金的强度和硬度。然而，过量的Ti不仅增加了实现足够淬透性的难度，导致基体中残留γ相的保留，还会在时效过程中过量析出U?Ti，从而增加合金的脆性。
U-Ti合金的塑性变形机制主要包括位错、滑移、孪生和剪切带[14],[15],[16]，这些机制受应变率和温度的显著影响。在低Ti含量的合金中，滑移是初始塑性变形的主要机制[2]。位错和滑移是孪生核化的先决条件，因为位错结构可以作为机械孪生的成核位点。随着应变的增加，孪生逐渐被激活。在高应变率加载下，U-Ti合金表现出显著的应变率敏感性，流动应力和硬化率都随应变率的增加而增加。在这种情况下，绝热剪切带成为关键的变形模式[14]。U?Ti相极其坚硬且脆，有效阻碍了位错的运动，导致位错密度迅速增加，从而产生显著的加工硬化和强化。随着U?Ti相体积分数的增加，由于钉扎效应，位错运动变得更加困难，使得塑性变形更加困难。因此，强度增加而塑性逐渐下降。在后期阶段，脆性颗粒与基体之间的界面成为微裂纹和微孔洞形成的优先位点。这些微缺陷的形成、生长和聚合导致应力集中，最终导致断裂，从而降低延展性。另一方面，Ti的添加细化了晶粒结构，既提高了强度又改善了塑性[18]。
对于具有低对称性的正交晶结构的α'马氏体，其强度和塑性变形受到晶体取向的显著影响[19],[20],[21]。近年来，尽管许多研究使用晶体塑性有限元模拟来研究晶体取向对机械性能的影响[22],[23],[24],[25],[26]，但模拟结果依赖于本构模型和参数（如初始滑移系的临界解析剪切应力、硬化指数等），这些通常需要精确的实验数据进行校准和验证。然而，关于强度和塑性变形的取向依赖性的实验研究仍然有限，主要是由于样品制备的挑战、微观结构的复杂性以及表征的高技术要求[27],[28]。
本研究结合了微压缩测试、EBSD、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）技术，研究了晶体取向对U-Ti合金强度和变形行为的影响。这种方法近年来已广泛应用于研究小尺度样品的取向依赖性变形机制和强度[29],[30],[31],[32],[33],[34]，有效地建立了晶体取向、机械性能和变形机制之间的直接定量关系，从而完美地桥接了宏观力学测试和晶体塑性模拟之间的差距。利用聚焦离子束技术在U-Ti合金的单个α'马氏体晶粒内制备了微柱。通过EBSD的预表征确保每个微柱都具有特定的晶体取向，从而可以直接识别激活的滑移系。微压缩测试为这些特定取向提供了精确的应力-应变曲线和屈服强度。此外，还使用SEM和TEM技术研究了微柱的变形行为。
实验方法
U-Ti合金样品的制备过程如下：高温熔化，然后在900 ℃下进行固溶处理，随后在水淬火；接着在300 ℃– 400 ℃下进行时效处理。材料被加工成圆盘形样品（?10 mm × 2 mm），机械抛光至镜面效果，然后转移到宽束离子刻蚀室（LKJ-3D-150）中进行15分钟的刻蚀以去除表面应力。样品立即转移到SEM/EBSD系统进行表面形貌分析
U-Ti合金马氏体微观结构
根据第2节所述方法制备的U-Ti合金样品具有完全的马氏体微观结构，如图2所示，这是其优异机械性能的结构基础。从图2(a)可以看出，这种马氏体呈现针状或条状形态，宽度可达20微米，长度可达数百微米。马氏体边界清晰，呈直线状
结论
本研究采用了一种新颖的微观力学测试方法，研究了U-Ti合金α'-马氏体中滑移系的取向依赖性变形行为和临界解析剪切应力（CRSS）。对马氏体微观结构进行了表征和分析，并详细描述了制备具有特定晶体取向的微柱的方法。基于这些研究，可以得出以下主要结论：
- 1)
具有特定晶体取向的微柱（
和）
淑珊崔：验证、软件、项目管理、正式分析、数据管理。文远王：验证、方法论、数据管理。东丽邹：软件、资源、项目管理、正式分析。玉昭周：可视化、验证、资源、方法论、数据管理。传莫：资源、方法论、研究、数据管理。瑞文李：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、资源、方法论、资金筹集
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了表面物理与化学实验室科技基金（项目编号WDZC202203）的财政支持。
