編輯推薦：設計具有高強度和高塑性的合金仍然是一個難題。作者通過激活不同的轉變機制控制非均勻析出相的微觀組織來設計增強增塑的多相合金。文章以一種兩相鈦合金為例，首先進行了相場模擬，設計了包括常規形核生長機制和非常規旋點分解機制的熱處理工藝，并利用晶體塑性有限元模型對計算得到的組織進行了評估。根據模擬結果，對Ti-10V-2Fe-3Al進行兩步熱處理，得到α+β雙峰組織。進一步的力學試驗表明，與單峰合金相比，合金的延性提高了約50%，強度提高了約10%。本研究為通過多尺度微觀組織設計提高合金力學性能提供了一種通用的方法

高度非均勻的多晶微觀結構（例如，微米級晶粒和納米顆粒的混合物）或梯度微觀組織已被證明具有強度和塑性的良好匹配。通過熱加工已生產出具有高度非均勻沉淀微觀組織的鈦合金，顯示出高強度和高延展性，但其成本高且復雜。合金化和熱處理是通過改變微觀組織來設計和優化鈦合金力學性能的重要方法。最近，非均均晶粒組織和復合材料的性能優化設計理念已被用于調整Ti合金的微觀組織。

來自西安交大和中科院金屬所等單位的研究者通過結合相場模擬、晶體塑性有限元建模（CPFEM）和實驗，基于β+α相的異質微觀結構設計，提出了一種簡單有效的鈦合金力學性能改進方法。相關論文以題為“Heterogeneous precipitate microstructure in titanium alloys for simultaneous improvement of strength and ductility”發表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.025

圖1 CPFEM計算了不同時效后Ti-V合金在室溫下不同取向的真應變-真應力曲線(x = [101]， y =[1-2-1])，“+”表示張力，“-”表示壓力。

兩種不同顯微組織沿不同取向真應變應力曲線(S-S)的CPFEM結果表明雙重時效產生的非均勻微觀結構的各取向都具有較高強度和穩定性，有利于同時提高強度和塑性。

圖2不同熱處理后材料Ti-1023樣品的實驗結果。

很明顯，隨著強度-塑性曲線向左上角移動，雙重時效后的性能得到了優化，同時提高了強度和塑性。基于雙重時效后具有非均勻微觀結構的Ti1023力學性能在強度和塑性方面比先前報道的Ti55531取得了更好的匹配性。

圖3TEM觀察雙重時效后不均勻析出相的微觀組織和位錯分布。

粗α析出相中的形變孿晶可能降低了α/β界面的應力集中，在α相和β相之間產生協調變形，提高塑性。據推測，細α和某些粗α變體有助于位錯積累引起的強度增加，在某些粗α變體中則是形變孿晶α有利于協調變形和延遲裂紋的萌生，使其具有良好綜合力學性能。

圖4CPFEM研究Ti-V系均勻和非均勻組織在室溫下沿[101]方向拉伸變形10%延伸率后的VonMises應力和真實應變

圖5CPFEM研究了Ti-V系均勻和非均勻組織在[101]方向拉伸變形0.5%、5%和10%伸長率后的Von Mises應力和真實應變。

與由于交叉高應變帶的連續性和位錯運動的阻礙而導致的具有細α析出相均勻微觀組織的過早斷裂相比，這種低延展性在非均勻微觀組織中不會發生，因為粗α析出相不僅破壞了交叉高應變帶的連續性，而且還觸發了孿生，在一定程度上緩解了應力不匹配。此外，具有應力分散的粗α析出相可以看做為大量細α析出相，避免了應力集中，但比細α沉淀物具有更多的位錯纏結，從而提高了強度。

總而言之，這項工作提出了一種簡單有效的方法，通過相場模擬，CPFEM和實驗來解決Ti合金中實現強度-塑性協同增強的長期難題。為設計Ti1023材料中良好的綜合力學性能而設計的雙重時效，這項工作可以為具有更好綜合性能的新型Ti合金的設計和開發提供方向。