Mechanistic origin of grain size and oxygen interstitial effects on strain-induced martensitic transformation in Ti-12Mo alloy

Ti-12Mo合金におけるひずみ誘起マルテンサイト変態に対する粒径と酸素格子間原子の影響の機構的起源

Chong, Y.*; 都留 智仁   ; 光原 昌寿*; Guo, B.*; Gholizadeh, R.*; 井上 耕治*; Godfrey, A.*; 辻 伸泰*

Chong, Y.*; Tsuru, Tomohito; Mitsuhara, Masatoshi*; Guo, B.*; Gholizadeh, R.*; Inoue, Koji*; Godfrey, A.*; Tsuji, Nobuhiro*

ひずみ誘起マルテンサイト変態(SIMT)は、準安定チタン合金の機械的性質に重大な影響を及ぼす。本研究では、Ti-12wt.%Mo合金のSIMTに対する粒径と酸素含有量の影響を系統的に調査した。SIMTは粒径と酸素含有量の減少によって促進されることが判明した。また、異常な粒径依存性とSIMTの急激な酸素含有量依存性のメカニズムの起源について、マルチスケールの微細構造特性評価と最先端のシミュレーションに基づいて議論された。第一原理計算により、結晶粒の微細化はSIMTのエネルギー障壁を上昇させないことが示されたことから、そのメカニズムは、ひずみ誘起相変態の核生成サイトを増加させることでマルテンサイトを生成し、それによって細粒Ti-12wt.%Mo合金でSIMTを促進するためであると考えられる。対照的に、Ti-12wt.%Mo-0.3wt.%O合金の場合、相変態中に酸素原子の局所構成が変化するため、酸素原子によってSIMTのエネルギー障壁が大幅に増加する。さらに、アトムプローブトモグラフィーにより、酸素原子が相境界に偏析し、それによってマルテンサイトの成長がさらに制限されることが明らかになった。

Strain-induced martensitic phase transformation (SIMT) critically affects the mechanical properties of metastable titanium alloys. In this study, the effects of grain size and oxygen content on SIMT in a Ti-12wt.%Mo alloy were systematically investigated. It is found that SIMT is promoted by a decrease in grain size and in oxygen content. The mechanistic origins of the anomalous grain size dependency and the acute oxygen content dependency of SIMT are discussed based on multi-scale microstructural characterization and state-of-the-art simulations. Grain refinement does not raise the energy barrier for SIMT but rather provides more nucleation sites for strain-induced martensite, thereby promoting SIMT in fine-grained Ti-12wt.%Mo alloy. In contrast, for the Ti-12wt.%Mo-0.3 wt.%O alloy, oxygen atoms substantially increase the energy barrier for SIMT, due to a change in the local configuration of oxygen atoms during the phase transformation. In addition, atomprobe tomography reveals for the first time that oxygen atoms segregate at phase boundaries, thereby further restricting the growth of martensite.