晶體缺陷，如位錯(cuò)，除了作為塑性載體，還可作為有效的形核位點(diǎn)，控制具有多層級/形態(tài)第二相的析出，從而優(yōu)化合金的力學(xué)性能。例如，高比強(qiáng)度鈦合金主要通過擴(kuò)散(β→α)相變形成的納米尺寸α相進(jìn)行強(qiáng)化。通常來說，刃位錯(cuò)的平面應(yīng)變/應(yīng)力場導(dǎo)致單個(gè)α變體沿位錯(cuò)線長大，形成平行的α簇狀結(jié)構(gòu)。與此相反，螺位錯(cuò)的非平面應(yīng)力/應(yīng)變場促進(jìn)不同α變體沿位錯(cuò)線同時(shí)形核，形成具有孿生關(guān)系的三角形結(jié)構(gòu)。盡管不同α變體之間存在孿晶界，但α和β相之間的界面仍然是半共格的，塑性變形時(shí)界面相容性較差，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度-塑性的倒置關(guān)系。一種較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是通過無擴(kuò)散(β→α')相變引入α'/β共格相界面，從而獲得良好的界面應(yīng)變相容性以提供大塑性。然而，這種策略仍然面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：一方面是較大的β母相尺寸和固溶淬火過程中較少的形核位點(diǎn)導(dǎo)致鈦合金中通常形成微米尺寸馬氏體，而α'馬氏體相界面強(qiáng)化符合經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系，因此使得合金屈服強(qiáng)度較低。另一方面是鈦及其合金中的間隙原子致脆效應(yīng)，因此嚴(yán)格限制氧(O)等間隙原子的含量，其馬氏體是置換式的過飽和固溶體(置換馬氏體)，這明顯不同于傳統(tǒng)鋼鐵材料的間隙過飽和固溶體(間隙馬氏體)，因而本征強(qiáng)度低。事實(shí)上，熱機(jī)械加工是工業(yè)生產(chǎn)鈦合金必不可少的工藝，可以引入大量的預(yù)先位錯(cuò)，從而為調(diào)節(jié)最終微觀結(jié)構(gòu)中的馬氏體層級/形態(tài)提供了媒介。然而，由于BCC金屬中位錯(cuò)特征的強(qiáng)烈溫度依賴性，高溫?zé)釞C(jī)械加工后β基體中預(yù)先位錯(cuò)主要是具有平面應(yīng)力場的刃位錯(cuò)，這導(dǎo)致形成平行的α'馬氏體簇而不是孿晶馬氏體。因此，如何工程化構(gòu)筑納米孿晶結(jié)構(gòu)馬氏體，并提高馬氏體的本征強(qiáng)度，是獲取高強(qiáng)-塑/韌性良好匹配鈦合金面臨的國際性科學(xué)與技術(shù)難題。

針對上述問題，西安交大金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍院士和張金鈺教授團(tuán)隊(duì)提出了一種違反直覺的設(shè)計(jì)策略，在Ti-Cr-Zr-Al馬氏體鈦合金中有意摻雜間隙O(高達(dá)0.5 wt.%)而不是避免它，即利用間隙原子-位錯(cuò)交互作用顯著扭曲熱機(jī)械加工預(yù)先引入刃位錯(cuò)的平面應(yīng)力場，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧矫鎽?yīng)力場，這促使多個(gè)馬氏體變體沿富O的刃位錯(cuò)線同時(shí)形核，從而構(gòu)筑出間隙O強(qiáng)化的納米孿晶α'馬氏體新型微觀結(jié)構(gòu)。更為重要的是，借助富O位錯(cuò)線原位相變形成的納米孿晶馬氏體可以吸收β基體中的氧原子來抑制界面處的氧偏析，進(jìn)而提高鈦合金中的抗氧脆能力。因此，間隙原子-位錯(cuò)交互作用介導(dǎo)的間隙O納米孿晶馬氏體設(shè)計(jì)策略結(jié)合了間隙強(qiáng)化、共格α'/α'孿晶界和共格α'/β'相界面的優(yōu)點(diǎn)，從而使得該鈦合金的綜合力學(xué)性能優(yōu)于以前報(bào)道的鈦合金。特別是，該高氧鈦合金具有超高的應(yīng)變硬化能力，其比韌性高達(dá)800 MPa % g-1 cm3，約為同等強(qiáng)度鈦合金的10倍。此外，合金設(shè)計(jì)的初衷充分考慮了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想，即考慮到海綿鈦生產(chǎn)(高能耗的克勞爾工藝)中的低等級海綿鈦產(chǎn)品(約占海綿鈦產(chǎn)業(yè)的5%-10%)、來自殘鈦回收過程中高氧含量的剩余鈦料或氧含量高的加工“廢料”, 均可作為當(dāng)下鈦合金的原料，從而帶來巨大的降低成本空間。團(tuán)隊(duì)提出的策略展示了一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)原則，即通過操縱位錯(cuò)特征，例如刃位錯(cuò)或螺位錯(cuò)及其應(yīng)力場，可有效構(gòu)筑納米孿晶結(jié)構(gòu)，并為鈦合金工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)低成本、高性能的高氧耐受性鈦合金提供了新的見解。

圖1. 基于O-位錯(cuò)交互作用形成的納米孿晶馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的分子動力學(xué)模擬和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)

圖2. 間隙氧強(qiáng)化的納米孿晶馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷后的室溫力學(xué)性能與商業(yè)Ti-6Al-4V合金、馬氏體鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、增材制造鈦合金、(α+β)+O鈦合金、β+O鈦合金和粉末冶金+O鈦合金的力學(xué)性能、比強(qiáng)度和比韌性對比

該研究成果以“Oxygen-dislocation interaction-mediated nanotwinned nanomartensites in ultra-strong and ductile titanium alloys”為題在線發(fā)表于Materials Today上。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生張崇樂為上述論文第一作者，孫軍院士和張金鈺教授為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括劉剛教授、李蘇值教授、李嬌高級工程師和李軒哲博士生。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該工作的唯一通訊單位。該工作得到了111計(jì)劃2.0、國家自然科學(xué)基金、陜西省青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等項(xiàng)目的共同資助。

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