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

在此，來自西安交通大學孫軍院士團隊使用一種亞穩(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，實現(xiàn)了三重功能納米析出相塑韌化高強層狀亞穩(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

同時擁有優(yōu)異強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，這被稱為強度-延展性權(quán)衡困境。相變/孿晶誘導塑性機制賦予這些亞穩(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）增強的工作硬化率（θ > 2000 MPa）和良好的延展性來平衡強度和延展性之間的沖突，但它們通常表現(xiàn)出非常低的屈服強度（σ_y）。鑒于屈服強度σ_y是結(jié)構(gòu)材料的最重要特征之一，自然會問TRIP/TWIP機制，例如應(yīng)力誘導馬氏體（SIM）是否可以被通常在高應(yīng)力下激活的普通位錯塑性（ODP）所取代，并隨后TRIP/TWIP開啟以實現(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。

事實上，存在兩種經(jīng)典的策略來強化亞穩(wěn)合金。第一種是通過增加相穩(wěn)定性來調(diào)控從應(yīng)力誘導馬氏體形變（SIM）到孿晶形變，甚至到普通位錯塑性（ODP）轉(zhuǎn)化的變形機制。然而，這種策略未能在不改變化學成分的情況下調(diào)節(jié)從ODP到SIM或?qū)\晶的機制順序；也就是說，當ODP首先出現(xiàn)在合金中時，隨著塑性應(yīng)變的增加，不存在變形機制的轉(zhuǎn)變。第二種是通過結(jié)構(gòu)異質(zhì)性設(shè)計實現(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現(xiàn)這一目標。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，以實現(xiàn)從ODP到SIM或?qū)\晶的順序激活，是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，有必要設(shè)計一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠充分利用亞穩(wěn)相中的應(yīng)變依賴機制轉(zhuǎn)變，先激活ODP，然后再激活SIM或?qū)\晶，從而顯著增強σ_y，而不會犧牲?_f（尤其是?_U）。

在這項工作中，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，以實現(xiàn)Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr (wt%)模型合金的強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材料的強度，還可以作為局部應(yīng)力升高器來激活軟基體中的TRIP，從而實現(xiàn)大范圍延展性，并促進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制的激活順序，研究者制備的亞微米層壓合金的屈服強度是具有相同組成的等軸粗晶合金的兩倍，同時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現(xiàn)了所需的機械性能，為設(shè)計具有極強韌性的超強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理。

圖3 β-Ti合金的力學響應(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理。

圖6 HLS-0.43 β-Ti合金的多級加工硬化行為及其機制。

綜上所述，研究者提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計策略，通過在異質(zhì)亞穩(wěn)合金系統(tǒng)中設(shè)計多級多功能納米析出物，實現(xiàn)所需的強韌協(xié)同作用，從而在室溫下獲得更好的斷裂韌性。實驗證明，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，以控制變形機制（如SIM和ODP）的激活順序，可以顯著增強（屈服）強度的同時，增加亞穩(wěn)材料的韌性和抗斷裂性。這種合金設(shè)計策略也可以被可行地應(yīng)用于許多其他二相增強的亞穩(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。