商用純鈦（Ti）具有很多有利的特性，包括重量輕、耐腐蝕性強，是一種理想的生物醫(yī)學(xué)植入材料。然而，低硬度和低強度對其廣泛的應(yīng)用造成了嚴(yán)重的限制。為了提高Ti的強度，合金化是一種有效的方法。雙相Ti-6Al-4 V目前廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，然而，有毒元素如V使這種合金不再是最佳選擇。此外，通過劇烈塑性變形產(chǎn)生的超細(xì)晶粒（UFG）和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的純Ti因其接近1 GPa的高強度而受到青睞。但是它們的體積大小限制和納米結(jié)構(gòu)的熱/機械不穩(wěn)定性給它們的實際應(yīng)用設(shè)置了障礙。不可避免的強度-傳導(dǎo)性權(quán)衡、晶粒粗化引起的性能下降和高制造成本使其在生物醫(yī)學(xué)植入物中處于劣勢。因此，如何找到一種經(jīng)濟的加工方法來提高強度，同時又不損害過多的延展性，是推動生物醫(yī)學(xué)植入物用純鈦發(fā)展的關(guān)鍵。

來自西安交通大學(xué)的學(xué)者通過在純鈦中設(shè)計一個獨特的氧梯度來解決這一難題，實現(xiàn)了超硬性、高強度、韌性和增強應(yīng)變硬化率的非線性組合。提出了六方鈦中這種氧調(diào)控塑性的合理機制，它取決于屈服后的孿生協(xié)調(diào)塑性和隨后氧溶膠介導(dǎo)的位錯滑移。在低氧濃度下，位錯在普通棱柱面上滑行，然后在不尋常的一階金字塔面上占優(yōu)勢，然后隨著氧含量的增加轉(zhuǎn)移到奇特的基面和二階金字塔面。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化具有理想機械性能的純鈦提供了一個有效的手段。相關(guān)文章以“Oxygen-gradient titanium with high strength, strain hardening and toughness”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118674

圖1. 純Ti和OG-Ti的初始微結(jié)構(gòu)。(a) 純Ti和(b) OG-Ti的SEM圖像。(c) 純Ti和(d) OG-Ti變形前的TEM圖像。

圖2.充氧純鈦的硬度和拉伸行為。(a)橫截面充氧純鈦的硬度分布。(b) 不同充氧條件下純鈦的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) 五種類型樣品的拉伸真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線和加工硬化率（虛線）。(d) 五種類型樣品的屈服應(yīng)力和韌性的比較。韌性是指包括縮頸部分在內(nèi)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。

圖3. OG-Ti在拉伸斷裂后的表面裂紋的特征。(a) OG-Ti的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顯示出剛屈服后的小的應(yīng)變突變。(b)-(d) 拉伸試驗后OG-Ti橫向表面的裂縫。(d)放大的圖像顯示(b)中用紅框標(biāo)記的區(qū)域。

圖4. OG-Ti拉伸斷裂后的逆極圖（IPF）和帶狀對比圖。(a), (b) 氧梯度區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)。(c)-(f) 孿生區(qū)的顯微結(jié)構(gòu)。

圖5. 拉伸變形后Ti-0.3O中的典型位錯結(jié)構(gòu)（在OG-Ti中從樣品表面100μm處切割的薄箔）。(a), (b) TEM圖像顯示沿(0002)平面的高密度的位錯結(jié)構(gòu)。(b)在位錯運動中形成的一些扭結(jié)。(c) 障礙物處的位錯堆積。(d)-(f) 高密度位錯沿(0111)和(0002)平面排列。在(e)和(f)中觀察到彎曲的位錯和短直的位錯。

圖6. 氧溶質(zhì)和位錯之間的動態(tài)相互作用。(a)純鈦，(b)Ti-0.1O和(c)Ti-0.3O薄片的實時壓縮變形行為顯示了不同的位錯移動性和獨特的滑移系統(tǒng)。

圖7. 不同氧濃度的α-鈦的間隙位點和滑移系統(tǒng)的示意圖。隨著氧濃度的增加，氧間隙位點從八面體位點轉(zhuǎn)變?yōu)樗拿骟w位點。同時，位錯滑移系統(tǒng)從棱柱形過渡到金字塔形和基底滑移平面

圖8.極限拉伸強度與均勻伸長率。還繪制了不同氧溶質(zhì)和超晶粒Ti的純Ti的拉伸性能進行比較。SPD是嚴(yán)重塑性變形的縮寫，Ti-O是含氧溶質(zhì)的Ti的縮寫。

獨特的氧梯度賦予了Ti強度-韌性的協(xié)同作用，擁有超硬、強化和增強應(yīng)變硬化能力的特殊組合，幾乎沒有犧牲均勻延展性。在變形結(jié)構(gòu)和原位納米力學(xué)測試的支持下，提出了純鈦中氧梯度引起的基本機制。變形孿晶的激活和滑移系統(tǒng)的過渡使OG-Ti具有不均勻的塑性。隨著氧濃度的增加，滑移系統(tǒng)的過渡被確定為從普通的棱柱面到不尋常的一階金字塔面，然后到奇特的基底面和二階金字塔面。氧原子在四面體位置的定位極大地?fù)p害了棱柱面的位錯滑移，這使得基底面滑移成為最有利的滑移。這項研究加深了對氧和純鈦之間關(guān)系的理解，最重要的是，提出了一種簡單而有效的方法來調(diào)整氧的空間分布，這為加工高性能生物醫(yī)學(xué)鈦和鈦合金提供了新的視角。