亚稳工程，即利用相变/孪晶诱发塑性(TRIP/TWIP)，通过动态Hall-Petch效应显著提高亚稳态合金的加工硬化率，从而平衡材料的强度-延/韧性矛盾。然而， TRIP/TWIP效应通常具有较低的临界启动应力，导致合金展现出极低的屈服强度，从而限制了此类合金进一步的工程应用。通常，强化亚稳态合金有以下两种典型的方法。一是通过提高相稳定性来调整变形机制，使其从TRIP转变为TWIP，甚至转变为常规的位错塑性(ODP)；然而，在不改变合金成分的情况下，这一策略无法调控TRIP/TWIP和ODP的激活顺序。二是构建异质结构，通过晶界、异质层界面和/或析出相的空间分布和约束效应来控制马氏体、孪晶等塑性载体的活动，其中异质叠层设计能够有效地结合稳态硬相组元ODP和亚稳态软相组元TRIP/TWIP从而高效地强化材料。然而，如何大幅度提升亚稳态合金TRIP/TWIP的启动应力以提升材料的屈服强度，并在基体中实现变形机制启动顺序的精准控制，目前仍然是单相亚稳态合金设计所面临的挑战。

针对上述问题，西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队自主设计了Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr (wt%)亚稳钛合金，提出了一种与众不同的结构设计策略，即少量的多形态硬质-塑性α纳米析出相分布于亚稳态软相β基体的新型异质叠层结构，明显不同于以往大量的亚稳态软相镶嵌在硬相基体中的层状化设计。这种独特的纳米析出相与层状化设计相结合的微观组织优势在于：叠层结构极大的提升了亚稳态β基体的马氏体相变启动应力，使得原本在高应力下启动的位错滑移机制在低应变下得以出现，从而显著提升了合金的屈服强度，同时持续提高的加工硬化能力和应力水平使得马氏体相变又能够在高应变下发生，成功实现了ODP与TRIP在塑性变形过程中的“无缝衔接”（图1）。团队采用循环热轧和短时固溶工艺克服了亚稳态β钛合金晶粒易粗化的弊端，通过改变循环次数，实现了纳米析出相晶内与界面的双态分布和软相β层厚（0.3~3.2μm）的灵活控制，使得变形机制在临界层厚尺寸~0.8μm发生转变。合金中硬质-塑性α纳米析出相不仅作为强化相用来提升材料的强度，还作为应力集中源在高应力下激活亚稳态基体的马氏体相变实现TRIP效应增加延性，同时在变形后期这些纳米析出相可触发界面分层增韧机制以增加材料的断裂韧性。因此，通过调控基体层厚尺寸与硬质-塑性纳米析出相的分布，精准控制了TRIP和ODP的启动次序，即在变形初始的低应变下首先激活ODP，并在随后的大应变下激活TRIP，实现了亚稳钛合金形变-相变机制的协同耦合作用，使合金屈服强度提升一倍而不损失其均匀塑性（图2）。团队提出的新型异质叠层结构设计策略为开发高性能亚稳态β钛合金提供了一种有效的范例，并为设计先进钛合金和其它具有类似特性的金属结构材料提供了新的思路。

图1.异质叠层Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr合金的变形机制演化与临界尺寸效应

图2.异质叠层Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr合金的力学性能与变形机制转变的临界尺寸预测，及其与目前已报道的亚稳态钛合金的力学性能对比

该研究成果以《三重功能纳米析出相塑韧化高强层状亚稳钛合金》(Trifunctional nanoprecipitates ductilize and toughen a strong laminated metastable titanium alloy)为题在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)。西安交通大学材料学院博士生张崇乐、博士生刘帅洋为上述论文共同第一作者，张金钰教授和孙军院士为论文共同通讯作者。该工作的合作者还包括刘刚教授和青年教师匡杰副教授。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室是该工作的唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省青年创新团队项目等项目的共同资助。

论文链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37155-y

文字：材料学院

图片：材料学院