隨著鈦合金在航空航天、生物醫用和船舶領域的廣泛應用，僅考慮強度塑性匹配已經滿足不了服役環境下的性能要求，兼具良好強韌性的鈦合金材料被廣泛需求。鈦合金的沖擊韌性與孿生行為、位錯運動、相變和裂紋的萌生與擴展等因素密切相關。然而，目前對鈦合金的動態力學行為和變形機制的研究并不全面，各變形行為之間的相互影響及其對沖擊韌性的耦合作用并未被系統性揭示。為此，本文通過研究不同顯微組織中的孿生行為，位錯運動以及裂紋的萌生與擴展，總結了影響沖擊韌性的多個因素并揭示了這些因素相互影響的復雜過程。

系統地研究了具有雙態組織的CT20合金表現出最高沖擊韌性的原因及不同組織中影響沖擊功吸收的耦合因素。

揭示了孿生行為和動態霍爾佩奇效應是影響沖擊韌性的關鍵因素。

解釋了界面對提高沖擊韌性的有利影響和促進裂紋萌生與擴展的不利影響。

本文分別對具有片層（LM）、等軸（EM）和雙態（BM）組織的CT20合金進行拉伸測試和夏比沖擊測試，并討論了影響沖擊韌性的因素。

圖1 變形前初始組織: SEM下 LM (a)、EM (b)和 BM (c)的顯微組織；LM(d)、EM (e)和 BM (f) 顯微組織的反極圖(IPF) (IPF//Z)。

可以看到LM中粗大的α片層集落，EM中細小的α晶粒和BM中細小的初生α (α_p)和次生α(α_s)晶粒。統計得到LM、EM和 BM的平均等效晶粒尺寸分別約為72.9 μm，8.2 μm和3.6 μm。

圖2 LM (a)、EM (b)和BM (c)試樣的荷載-位移曲線；(d) 荷載-位移曲線的對比；沖擊功-位移曲線的對比 (e)；(f)裂紋萌生功(W_I)與裂紋擴展功(W_p)對比。

LM試樣在達到最大的變形位移后達到應力峰值并吸收了最高的裂紋萌生功，但其應力峰值最低。EM試樣可以承受較高的沖擊載荷應力峰值，其吸收的沖擊功最低。BM試樣表現出了最高的沖擊載荷應力峰值和最好的沖擊韌性。

圖3 SEM 觀察到的LM (a)、EM (b)和 BM (c)樣品的斷口截面形貌和對受沖擊斷口進行的宏觀觀察。

三種試樣的裂紋擴展路徑具有很大差異。LM試樣具有更曲折的裂紋擴展路徑，EM和BM試樣的裂紋擴展路徑呈弧形且BM試樣的弧度更大。

圖4 沖擊斷口附近顯微組織：SEM下 LM (a)、EM (b) 和 BM (c)試樣的顯微組織； LM (d)、EM (e) 和 BM (f)試樣的 IPF 圖。

三種試樣的斷口附近均發生了嚴重的塑性變形且出現了二次微裂紋。

圖5 LM (a)、EM (b)和 BM(c)試樣的形變孿晶類型和數量。

LM試樣中形成了最密集的孿晶，強TWIP效應導致了達到應力峰值時的較大位移，這是LM吸收最高裂紋萌生功的原因。孿晶的形成導致BM試樣變形后的等效晶粒尺寸約為2.53 μm，晶粒細化導致動態霍爾佩奇效應，使其可承受最高的應力峰值并表現出最好的沖擊韌性。

圖6 LM (a)、EM (b) 和 BM (c) 試樣的 KAM 圖；(d)三種試樣中 KAM 值出現的相對頻率。

圖7 低角度晶界 (LAGB) 和高角度晶界 (HAGB) 分別在 LM(a)、EM(b)和 BM(c)試樣中的分布。

BM試樣具有最高的KAM值和最多的LAGB。細小的晶粒促進了位錯滑移并在晶粒中形成了大量亞晶界，吸收了大量沖擊功。

圖8 LM 試樣的 TEM 觀察：(a) 形變孿生；(b) 孿晶與β片層扭折誘發另一孿晶形核；(c) 細小的孿晶被扭折；(d-f) α片層中開動的柱面滑移；(g) 孿晶中多個滑移系開動；(h) 位錯在集落邊界處塞積；(i) 位錯在 α/β 相界面處塞積。

LM試樣中的α孿晶與β相相互扭折、孿晶對多滑移地促進均可吸收沖擊功，這也是導致LM試樣吸收更多裂紋萌生功的重要因素。

圖9 EM 試樣的 TEM 觀察：(a) 晶內塞積的大量位錯；(b) 晶內近似平行的位錯線；(c) 位錯在晶界和晶間β附近塞積；(d) 位錯在孿晶界附近塞積。

與其他顯微組織相比，EM試樣吸收沖擊功的途徑比較少，孿晶的形核長大和位錯的增殖與滑移是EM試樣吸收沖擊功的主要方式，較少的孿晶導致沖擊韌性較差。

圖10 BM 試樣的TEM 觀察：(a)位錯在細小的α_s中塞積；(b) α_s中細小的孿晶；(c) (b)圖中孿晶的衍射花樣; (d) 孿晶穿過α_s和α_p, 造成β相扭折；(e-f)  α_s和α_p中孿晶的衍射花樣；(g)α_s中β相扭折，相界面對位錯的阻礙作用和孿晶界對位錯的阻礙作用疊加；(h) 交叉的孿晶穿過亞晶界并造成孿晶界內位錯增殖；(i) 交叉孿晶與亞晶界對位錯塞積的耦合作用。

圖11 BM 試樣孿晶界附近的HRTEM觀察：(a) 孿晶界；(b) FCC-Ti及其FFT花樣。

BM試樣在沖擊變形過程中吸收較高的沖擊功是由多因素共同引起的。這些因素包括較細的初始等效晶粒尺寸、較小的片層厚度、細小的孿晶、相變和孿晶與各界面之間的相互作用等。

圖12 LM (a、d)、EM (b、e)和 BM (c、f)試樣中裂紋萌生區(a-c)和裂紋擴展區(d-f)的 SEM 圖像以及 LM 試樣中裂紋沿孿晶界擴展(d)。

LM試樣中的微裂紋主要在相界和集落邊界處萌生，并沿相界和孿晶界擴展。EM試樣中的微裂紋主要在晶界和孿晶界處形核，并穿過晶粒擴展。BM試樣中微裂紋在α_s中的相界面和α_s/α_p晶界附近萌生并穿過晶粒擴展。

強TWIP效應有利于釋放應力集中并緩解裂紋萌生。形成了更多孿晶的片層組織在最大的沖擊變形后達到應力峰值并吸收了最高的裂紋萌生功。形成最少孿晶的等軸組織吸收了最小的沖擊功。雙態組織中細小的晶粒配合孿生導致的動態霍爾佩奇效應有利于鈦合金承受更高的沖擊載荷并吸收更多的沖擊功。此外，相界面可以促進孿晶的形成，這些孿晶不僅可以促進更多滑移系開動，還可以與晶界、相界產生相互作用共同阻礙位錯運動，最終促進裂紋的萌生與擴展。在未來的研究中，可通過調節孿生行為并優化顯微組織中的界面來提高鈦合金材料的抗沖擊變形能力，應力/應變誘發的相變也為提高鈦合金材料的沖擊性能提供了新的思路。

趙永慶（通訊作者）：西北有色金屬研究院副總工程師、教授、博士生導師，長期從事鈦合金材料研發。國家萬人計劃科技創新領軍人才、國家973計劃首席科學家(鈦合金)、國家創新人才推進計劃重點領域創新團隊“鈦合金研制創新團隊”帶頭人。全國勞動模范、新世紀百千萬人才工程國家級人選、政府特殊津貼專家、全國優秀科技工作者。

張潤奇（第一作者）：東北大學與西北有色金屬研究院聯合培養博士研究生，主要從事鈦合金低溫變形機制的研究，以第一作者在JMST、Scripta Materialia和Materials & Design等期刊發表多篇論文。