亞穩(wěn)態(tài)工程，例如通過相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）可以增強(qiáng)合金的延展性，但通常以相對較低的屈服強(qiáng)度為代價(jià)。

在此，來自西安交通大學(xué)孫軍院士團(tuán)隊(duì)使用一種亞穩(wěn)態(tài)Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr（重量百分比）合金作為模型材料，制備了一種異質(zhì)層壓結(jié)構(gòu)，其表面有多種形態(tài)的α-納米沉淀物，實(shí)現(xiàn)了三重功能納米析出相塑韌化高強(qiáng)層狀亞穩(wěn)鈦合金。相關(guān)論文以題為“Trifunctional nanoprecipitates ductilize and toughen a strong laminated metastable titanium alloy”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37155-y

同時(shí)擁有優(yōu)異強(qiáng)度和良好延展性的材料一直是高需求的，然而這些性能通常是相互排斥的，這被稱為強(qiáng)度-延展性權(quán)衡困境。相變/孿晶誘導(dǎo)塑性機(jī)制賦予這些亞穩(wěn)態(tài)合金（例如傳統(tǒng)鋼和鈦合金以及最近出現(xiàn)的多組分合金）增強(qiáng)的工作硬化率（θ > 2000 MPa）和良好的延展性來平衡強(qiáng)度和延展性之間的沖突，但它們通常表現(xiàn)出非常低的屈服強(qiáng)度（σ_y）。鑒于屈服強(qiáng)度σ_y是結(jié)構(gòu)材料的最重要特征之一，自然會(huì)問TRIP/TWIP機(jī)制，例如應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體（SIM）是否可以被通常在高應(yīng)力下激活的普通位錯(cuò)塑性（ODP）所取代，并隨后TRIP/TWIP開啟以實(shí)現(xiàn)大延展性（?_f），特別是大范圍延展性（?_U），從而提高這些合金的斷裂韌性。

事實(shí)上，存在兩種經(jīng)典的策略來強(qiáng)化亞穩(wěn)合金。第一種是通過增加相穩(wěn)定性來調(diào)控從應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體形變（SIM）到孿晶形變，甚至到普通位錯(cuò)塑性（ODP）轉(zhuǎn)化的變形機(jī)制。然而，這種策略未能在不改變化學(xué)成分的情況下調(diào)節(jié)從ODP到SIM或?qū)\晶的機(jī)制順序；也就是說，當(dāng)ODP首先出現(xiàn)在合金中時(shí)，隨著塑性應(yīng)變的增加，不存在變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變。第二種是通過結(jié)構(gòu)異質(zhì)性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)空間限制，其中由晶界、層間界面和/或沉淀體施加的空間限制可以控制塑性載體的激活。其中，異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)（HLS）通過在硬-穩(wěn)定和軟-亞穩(wěn)組分中組合ODP和SIM，使我們能夠輕松地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，迄今為止通過尺寸限制效應(yīng)有效延遲單相亞穩(wěn)合金中TRIP或TWIP的激活，以實(shí)現(xiàn)從ODP到SIM或?qū)\晶的順序激活，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，有必要設(shè)計(jì)一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠充分利用亞穩(wěn)相中的應(yīng)變依賴機(jī)制轉(zhuǎn)變，先激活ODP，然后再激活SIM或?qū)\晶，從而顯著增強(qiáng)σ_y，而不會(huì)犧牲?_f（尤其是?_U）。

在這項(xiàng)工作中，與先前在硬基體中含有大量軟亞穩(wěn)相的HLS不同，研究者提出了一種不同的設(shè)計(jì)概念，即在軟層狀亞穩(wěn)β基體中分布少量多形態(tài)的難變形α納米沉淀，以實(shí)現(xiàn)Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr (wt%)模型合金的強(qiáng)度和延展性的理想組合。在該合金中，硬的α納米沉淀物不僅可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，還可以作為局部應(yīng)力升高器來激活軟基體中的TRIP，從而實(shí)現(xiàn)大范圍延展性，并促進(jìn)界面剝離增韌以提高斷裂韌性。通過精心控制Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr合金中層厚度依賴的變形機(jī)制的激活順序，研究者制備的亞微米層壓合金的屈服強(qiáng)度是具有相同組成的等軸粗晶合金的兩倍，同時(shí)不損失大范圍延展性。這種結(jié)合層壓亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和三功能納米沉淀物的策略實(shí)現(xiàn)了所需的機(jī)械性能，為設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)韌性的超強(qiáng)和延展材料提供了新的思路。

圖1 HLS-0.43和HLS-1.2 β-Ti合金的變形機(jī)制在初始塑性變形階段激活。

圖2 EGS-61 β-Ti合金在塑性變形初始階段的變形機(jī)理。

圖3 β-Ti合金的力學(xué)響應(yīng)。

圖4 β-Ti合金的斷裂性能。

圖5 HLS-0.43 β-Ti合金的斷裂行為及其機(jī)理。

圖6 HLS-0.43 β-Ti合金的多級加工硬化行為及其機(jī)制。

綜上所述，研究者提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)策略，通過在異質(zhì)亞穩(wěn)合金系統(tǒng)中設(shè)計(jì)多級多功能納米析出物，實(shí)現(xiàn)所需的強(qiáng)韌協(xié)同作用，從而在室溫下獲得更好的斷裂韌性。實(shí)驗(yàn)證明，通過調(diào)節(jié)三重功能納米析出物的特性（如大小、間距、形態(tài)）而不改變合金成分，以控制變形機(jī)制（如SIM和ODP）的激活順序，可以顯著增強(qiáng)（屈服）強(qiáng)度的同時(shí)，增加亞穩(wěn)材料的韌性和抗斷裂性。這種合金設(shè)計(jì)策略也可以被可行地應(yīng)用于許多其他二相增強(qiáng)的亞穩(wěn)合金系統(tǒng)（如傳統(tǒng)的TRIP鋼和多組分合金），以獲得特定應(yīng)用的所需性能。