多晶體材料中，低溫或較低溫度下晶界強(qiáng)化是眾所周知的。晶界掌控著多晶體材料的力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)材料的變形、失效和其他冶金現(xiàn)象至關(guān)重要。當(dāng)晶粒尺寸低于20nm時(shí)，材料表現(xiàn)出“逆 Hall-Petch” 效應(yīng)，這早在20世紀(jì)80年代已被發(fā)現(xiàn)。隨著晶粒尺寸的降低到dc以下，材料由位錯(cuò)介導(dǎo)變形機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы缃閷?dǎo)變形機(jī)制，以晶界介導(dǎo)變形為主的變形被稱為“逆 Hall-Petch” 效應(yīng)。然而，高溫下晶粒尺寸的變化對(duì)多晶體金屬材料高溫力學(xué)性能的影響至關(guān)重要，高溫下晶粒尺寸和臨界尺寸dc與溫度之間的關(guān)系仍然是個(gè)空白。 

西安理工大學(xué)李樹(shù)豐教授團(tuán)隊(duì)在闡明高溫鈦合金TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）在室溫條件下臨界晶粒尺寸dc與溫度之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示了其高溫Inverse Hall-Petch效應(yīng)。本研究通過(guò)晶粒尺寸設(shè)計(jì)，形成異常粗大的晶粒，進(jìn)一步放大晶界在高溫下的軟化效應(yīng)。在TA15合金的服役溫度（550℃）前后進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明試樣的屈服強(qiáng)度和晶粒強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低。高溫下晶界和相界作為主要的變形位置，破壞了α/β相之間的伯格斯矢量關(guān)系（{110}β//{0001}α和<1-11>β//<11-20>α），形成了大量的小角度晶界。其次，高溫為各個(gè)滑移系啟動(dòng)提供了足夠的能量，降低了晶粒滑移系的臨界剪切應(yīng)力（CRSS）。通過(guò)高溫原位SEM和高溫納米壓痕等實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在550℃前后材料的變形機(jī)制和失效機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變；當(dāng)溫度低于550℃時(shí)，試樣以晶粒變形（位錯(cuò)介導(dǎo)變形）為主，穿晶斷裂；當(dāng)溫度高于550℃時(shí)，試樣以晶界變形（晶界遷移，晶界滑移；晶界介導(dǎo)變形為主）為主，沿晶斷裂；晶界表現(xiàn)出高溫逆Hall-Petch效應(yīng)，這表明高溫下TA15試樣的臨界尺寸dc要遠(yuǎn)大于20nm。因此，TA15試樣的臨界尺寸dc隨著溫度的升高而變大(Fig. 6b)。

基于此，本研究提出了兩種提高金屬材料高溫力學(xué)性能的方法： 1） 晶粒尺寸調(diào)控，高溫下服役的晶粒尺寸接近dc。 2） 晶界設(shè)計(jì)，在晶界處引入納米析出相，利用納米析出相釘扎晶界，降低材料的dc。 

該發(fā)現(xiàn)為提高金屬材料的高溫力學(xué)性能提供了新的思路，有望為提高多晶金屬材料高溫力學(xué)性能的開(kāi)發(fā)提供重要理論基礎(chǔ)與科學(xué)指導(dǎo)。相關(guān)成果以“High-temperature “Inverse” Hall-Petch relationship and fracture behavior of TA15 alloy”為題發(fā)表于工程塑性領(lǐng)域頂級(jí)期刊《International Journal of Plasticity》上。論文第一作者為西安理工大學(xué)2022級(jí)博士生李少龍，現(xiàn)香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生。通訊作者為西安理工大學(xué)李樹(shù)豐教授、香港城市大學(xué)朱運(yùn)田教授（聯(lián)合培養(yǎng)導(dǎo)師）和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Philip J. Withers教授。 

該工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFB3701203)、陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2023-CX-TD-46)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52201165)和博士留學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)基金項(xiàng)目(101/252092301)支持。針對(duì)鈦合金及鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)韌性和高溫性能研究方面，李樹(shù)豐教授團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在《Proceedings of the National Academy of Sciences of America》、《International Journal of Plasticity》、《Additive Manufacturing》、《Carbon》和《Composites Part B》等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表多篇高水平研究論文；授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng)，中國(guó)專利數(shù)10項(xiàng)。 

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103951  

圖1 微觀組織及其高溫力學(xué)性能 

圖2魏氏體組織在不同高溫拉伸后的斷后側(cè)面金相照片

圖3 雙態(tài)組織不同高溫?cái)嗪笤嚇觽?cè)面IPF圖及其對(duì)應(yīng)的取向角分布柱狀圖

圖4 雙態(tài)組織不同拉伸溫度下施密特因子分布及滑移跡線

圖5 魏氏體組織高溫原位拉伸，晶界遷移、滑移演變過(guò)程

圖6 室溫或較低溫度下Hall-Petch關(guān)系和高溫下的Inverse Hall-Petch關(guān)系示意圖及轉(zhuǎn)變機(jī)制。(a) 室溫或較低溫度Hall-Petch強(qiáng)化示意圖，(b) Hall-Petch 向 Inverse Hall-Petch轉(zhuǎn)變的臨界尺寸dc隨溫度變化的示意圖，(c) 高溫晶粒和晶界軟化機(jī)制示意圖，(d) 室高溫納米壓痕載荷位移曲線。