揭示背应力的起源对于异构结构金属与合金的设计至关重要。本文通过原位扫描电子显微镜/电子背散射衍射表征及滑移迹线分析，研究了异构结构Ti-6Al-4V合金在拉伸变形过程中背应力的产生。研究阐明了晶粒尺寸梯度、滑移系相容性、亚晶粒形成以及多滑移系激活对背应力产生的共同影响。结果表明，由于大晶粒与小晶粒之间不均匀的变形行为，位错在晶界处积累并产生背应力。对于背应力的产生，晶粒尺寸梯度是初始要求，且大晶粒内的亚晶粒形成不会抑制背应力的产生。此外，相邻大/小晶粒的低滑移系相容性必须严格满足，背应力才能产生。否则，晶界对位错运动的阻碍作用有限，导致滑移易于传递。其结果是，晶界两侧的位错密度梯度减小，背应力变得不显著。此外，在特定大晶粒内激活多个滑移系可能会抑制背应力的产生，因为这促进了位错的运动与湮灭。
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.07.239
钛合金因其优异的比强度、良好的耐腐蚀性、突出的断裂韧性及卓越的生物相容性，被视为极具前景的轻质结构材料，广泛应用于航空航天、生物医学等领域。然而，如何在钛合金中同时实现高强度与高塑性（即优异的强塑协同），始终是制约其高端工程应用（如航空发动机关键部件、人体植入体等）的核心挑战。在传统金属材料中，强度与塑性通常相互制约，此消彼长。因此，开发兼具高强度与高塑性的结构金属材料已成为材料科学领域长期面临的关键难题。
为解决这一问题，研究者们已提出多种策略。其中，晶粒细化被证实可同时提升钛合金及其他金属材料的屈服强度与均匀延伸率。近年来，异构结构材料 的设计理念为突破强塑权衡提供了新途径。这类材料通常由具有显著差异的物理或力学性能的区域构成，例如相梯度结构、晶粒尺寸梯度结构及异质层状结构等。目前学界普遍认为，异构结构合金优异的强塑协同主要归因于异质变形诱导（HDI）背应力强化 与相应的应变硬化。以晶粒尺寸梯度结构为例，大尺寸晶粒与超细晶粒在变形中分别扮演“软区”与“硬区”的角色。变形时，软区（大晶粒）通常承受更显著的应变，导致几何必需位错（GND）在软/硬区界面（如晶界）处塞积。这些塞积的位错集体在软区内产生长程内背应力，从而提高位错滑移的有效分切应力，增强合金的屈服强度。同时，异构结构还能引入显著的HDI应变硬化，抑制变形过程中的应变局域化，从而同步提升材料的塑性。
基于背应力理论，研究人员已在设计高性能异构结构钛合金方面取得系列进展。例如，Zhang等人在亚稳β钛合金中设计的晶粒尺寸梯度结构使屈服强度达到639 MPa，总延伸率达18.6%。Wu等人制备的含粗大与超细层片α相的异构结构钛合金，其抗拉强度与延伸率较均质层片结构合金分别提升6%与130%。Li等人通过增材制造与退火获得了由层片α与针状α″组成的双相异构结构，实现了约1.3 GPa的高强度与约15%的大延伸率。Cao等人也发现，激光定向能量沉积制备的异构TC11合金因等轴α与柱状α晶粒间的异质变形而展现出理想的强塑协同。
研究表明，相邻晶粒间的尺寸梯度 是背应力产生的关键因素之一[17]。此外，软/硬晶粒间的取向差 强烈影响GND的运动：大角度晶界（HAGB）因其对位错的有效阻碍更利于位错塞积与背应力产生，而小角度晶界（LAGB）虽然也能产生背应力，但其HDI应变硬化效应通常弱于HAGB。另一方面，位错滑移 是钛合金室温主导的变形机制。滑移传递——即位错从一个晶粒的滑移系穿越晶界进入相邻晶粒的另一滑移系的过程——对跨晶界位错运动至关重要。滑移传递的难易度可通过滑移系相容性进行定量评估，低相容性意味着滑移传递困难，通常有利于位错塞积与背应力生成；而高相容性则易导致位错穿越晶界，实现均匀变形，背应力作用有限。
鉴于HDI背应力对提升异构结构合金力学性能的积极作用，阐明背应力的起源并探索在合金中引入更多背应力的方法至关重要。然而，晶粒尺寸梯度、滑移系激活与滑移传递等因素对背应力产生的协同影响机制尚不明确，这制约了通过微观结构优化来促进背应力生成的材料设计。为此，本研究通过深冷预拉伸制备了异构结构Ti-6Al-4V合金，结合原位扫描电子显微镜（SEM）/电子背散射衍射（EBSD）表征 与滑移迹线分析，系统研究了其拉伸变形过程中的变形行为与微观结构演变，定量确定了滑移系的激活情况，并最终阐明了晶粒尺寸梯度、亚晶形成、滑移系激活及滑移传递对背应力生成的协同作用机制。本研究旨在丰富背应力理论，并为设计具有优异强塑协同的钛合金提供可行的微观结构调控策略。
图1. （a）试样制备与深冷预拉伸过程示意图。图中ND、TD和WD分别表示法向、拉伸方向和宽度方向。（b）用于原位拉伸试验的试样尺寸（单位：mm）。（c）装有试样的原位拉伸台照片。
图2. 原位拉伸试验过程中的载荷-位移曲线。
图3. （a，b）不同放大倍数下深冷预拉伸合金的光学显微结构。（c）深冷预拉伸合金的TEM显微结构。（d）图（c）中标示区域的选区电子衍射花样。（e，f）显示图（c）中标示区域位错特征的放大图像。
图4. 初始态、29%变形和35%变形试样的取向图（a-c）、晶界图（d-f）和反极图（g-i）。
图5. （a-c）显示初始态、29%变形和35%变形试样表面形貌的SEM图像。
图6. （a-c）初始态、29%变形和35%变形试样的KAM图。（d）KAM值分布。
图7. 原位拉伸试验过程中子区域1的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。图中显示了晶粒1内晶界周围的平均KAM值。（d，e）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（f）35%变形后子区域1的SEM图像。（f₁-f₃）分别为晶粒1-3的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图8. 原位拉伸试验过程中子区域2的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。图中显示了晶粒2内晶界周围的平均KAM值。（d）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（e）35%变形后子区域2的SEM图像。（e₁-e₂）分别为晶粒1-2的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图9. 原位拉伸试验过程中子区域3的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。图中显示了晶粒1-3内晶界周围的平均KAM值，其中Avg₁和Avg₂分别代表晶界上方和下方区域的平均KAM值。（d，e）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（f）35%变形后子区域3的SEM图像。（f₁-f₃）分别为晶粒1-3的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图10. 原位拉伸试验过程中子区域4的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。（d，e）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（f）35%变形后子区域4的SEM图像。（f₁-f₄）分别为晶粒1-4的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图11. 原位拉伸试验过程中子区域5的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。（d，e）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（f）35%变形后子区域5的SEM图像。（f₁，f₂）分别为晶粒1-2的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图12. 原位拉伸试验过程中子区域6的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。（d，e）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（f）35%变形后子区域6的SEM图像。（f₁-f₃）分别为晶粒1-3的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图13. 原位拉伸试验过程中子区域7的取向图（a）、晶界图（b）和KAM图（c）。（d，e）图（a）中标示线的取向差分布曲线。（f）35%变形后子区域7的SEM图像。（f₁-f₃）分别为晶粒1-3的18个滑移系计算理论可能滑移迹线与观察到的滑移迹线。最佳匹配被确定为已激活滑移系并显示在图中。
图14. 拉伸变形过程中位错塞积与背应力生成的示意图。
异构结构制备与表征：
原位拉伸与微观结构演化追踪：
背应力生成的局部化研究：
滑移系激活的定量判定：
滑移传递与相容性参数计算：
研究发现，背应力的产生并非单一因素作用，而是需要多个条件协同满足的精密过程，其机制可总结为以下四个关键要点：
首要条件：存在晶粒尺寸差异机制：背应力源于“软”（粗晶）、“硬”（细晶）区域之间的变形不协调。只有存在明显的晶粒尺寸差异，软区在变形中才会产生更多位错。当这些位错向硬区运动时，会在晶界处被阻挡并堆积起来，从而在软区内部形成长程的背应力。证据：研究中的一个区域（子区5）显示，即使两个相邻粗晶间滑移配合很差，但由于它们尺寸相近、变形行为相似，并未在晶界处形成显著的位错堆积，说明缺乏尺寸差异这个“引擎”，背应力难以启动。
决定性条件：相邻晶粒间滑移难以相互配合机制：晶界阻挡位错的效果强弱至关重要。当相邻晶粒激活的滑移系在方向上和晶面上都难以匹配（即m’和N值很低）时，位错几乎无法穿越晶界，只能被牢牢堵在软区一侧的晶界附近，从而产生强大的背应力。证据：
内部结构调整：亚晶粒的形成不影响背应力产生机制：变形中，大晶粒内部可能产生小角度晶界，分割出亚晶粒。但只要这个大晶粒整体与相邻小晶粒之间满足尺寸差异大和滑移配合差这两个条件，位错堆积和背应力产生依然会发生在大晶粒与外部小晶粒的边界上，亚晶粒的内部边界不改变这一主要过程。证据：子区6中，一个大晶粒内部包含一个亚晶粒，该亚晶粒与相邻小晶粒滑移配合较差。变形后，背应力仍然明确产生于这个亚晶粒与小晶粒的界面上。
抑制因素：单个晶粒内激活多个滑移系机制：如果在作为软区的大晶粒内部，同时激活了多个不同方向的滑移系，就等于为位错运动开辟了多条“逃生通道”。这会促进位错之间相互反应、合并或改变路径，从而将已在晶界处初步堆积的位错和集中的应力有效地“消化”掉，阻止了强背应力的持续建立。证据：子区7和子区4中的某些大晶粒都激活了多个滑移系。尽管它们与旁边小晶粒的滑移配合度也很低，符合产生背应力的前两个条件，但其晶界附近并未出现显著的位错高密度区。原因正是多滑移激活起到了释放堆积、缓解应力的作用。
这项工作清晰地描绘出背应力产生的微观图景：以晶粒尺寸差异驱动的变形不协调为源头，以低滑移配合度提供的坚固晶界屏障为核心，二者结合迫使位错在软区晶界处有效堆积，从而孕育背应力。在此过程中，晶粒内部的亚结构划分通常不影响大局，但若软区内部发生多滑移，则会像打开泄压阀一样，消散堆积，削弱背应力。 这一机制为通过精心设计材料的晶粒尺寸和晶体取向，来定制化调控异构材料的性能提供了关键的科学依据。
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