多晶體材料中，低溫或較低溫度下晶界強化是眾所周知的。晶界掌控著多晶體材料的力學性能，同時對材料的變形、失效和其他冶金現象至關重要。當晶粒尺寸低于20nm時，材料表現出“逆 Hall-Petch” 效應，這早在20世紀80年代已被發現。隨著晶粒尺寸的降低到dc以下，材料由位錯介導變形機制轉變為晶界介導變形機制，以晶界介導變形為主的變形被稱為“逆 Hall-Petch” 效應。然而，高溫下晶粒尺寸的變化對多晶體金屬材料高溫力學性能的影響至關重要，高溫下晶粒尺寸和臨界尺寸dc與溫度之間的關系仍然是個空白。 

西安理工大學李樹豐教授團隊在闡明高溫鈦合金TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）在室溫條件下臨界晶粒尺寸dc與溫度之間關系的基礎上，進一步揭示了其高溫Inverse Hall-Petch效應。本研究通過晶粒尺寸設計，形成異常粗大的晶粒，進一步放大晶界在高溫下的軟化效應。在TA15合金的服役溫度（550℃）前后進行高溫拉伸實驗，結果表明試樣的屈服強度和晶粒強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，高溫為各個滑移系啟動提供了足夠的能量，降低了晶粒滑移系的臨界剪切應力（CRSS）。通過高溫原位SEM和高溫納米壓痕等實驗，發現在550℃前后材料的變形機制和失效機制發生轉變；當溫度低于550℃時，試樣以晶粒變形（位錯介導變形）為主，穿晶斷裂；當溫度高于550℃時，試樣以晶界變形（晶界遷移，晶界滑移；晶界介導變形為主）為主，沿晶斷裂；晶界表現出高溫逆Hall-Petch效應，這表明高溫下TA15試樣的臨界尺寸dc要遠大于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性能的方法： 1） 晶粒尺寸調控，高溫下服役的晶粒尺寸接近dc。 2） 晶界設計，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。 

該發現為提高金屬材料的高溫力學性能提供了新的思路，有望為提高多晶金屬材料高溫力學性能的開發提供重要理論基礎與科學指導。相關成果以“High-temperature “Inverse” Hall-Petch relationship and fracture behavior of TA15 alloy”為題發表于工程塑性領域頂級期刊《International Journal of Plasticity》上。論文第一作者為西安理工大學2022級博士生李少龍，現香港城市大學聯合培養博士生。通訊作者為西安理工大學李樹豐教授、香港城市大學朱運田教授（聯合培養導師）和英國曼徹斯特大學Philip J. Withers教授。 

該工作獲得國家重點研發計劃項目(2021YFB3701203)、陜西省重點科技創新團隊項目(2023-CX-TD-46)、國家自然科學基金項目(52201165)和博士留學聯合培養基金項目(101/252092301)支持。針對鈦合金及鈦基復合材料的強韌性和高溫性能研究方面，李樹豐教授團隊已經在《Proceedings of the National Academy of Sciences of America》、《International Journal of Plasticity》、《Additive Manufacturing》、《Carbon》和《Composites Part B》等國際頂級期刊發表多篇高水平研究論文；授權美國專利1項，中國專利數10項。 

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性能 

圖2魏氏體組織在不同高溫拉伸后的斷后側面金相照片

圖3 雙態組織不同高溫斷后試樣側面IPF圖及其對應的取向角分布柱狀圖

圖4 雙態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、滑移演變過程

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