燕山大学&中科院力学所&太原理工大学&内蒙古工业大学 Acta Materialia 新型微观结构设计激活应力诱导FCC相变实现超高强钛合金大塑性
文章导读
相变诱导塑性效应有助于钛合金实现高强度与高延展性的协同。尽管面心立方相在热力学上不稳定且在钛合金中很少观察到，但近期研究已证实其在纯钛中可被应力诱导形成，为实现同时强化和增韧提供了一种有前景的策略。本研究提出了一种基于应力诱导面心立方相变的新型多尺度微观结构设计策略，用于开发高性能钛合金。通过最后一道次双向锻造，获得了一种独特的微观结构，其特征为棒状alpha_s析出相优先分布在层状beta晶界附近。这些析出相发挥三个关键功能：（i）作为有效的滑移屏障，抑制位错滑移穿过beta晶界的传播；（ii）缓解alpha/beta界面处的应力集中；（iii）通过（i）和（ii）机制的协同作用促进面心立方相变的激活。所得钛合金展现出超高抗拉强度（1421 MPa）和可观延伸率（12.8%）的卓越组合。本研究建立了一种基于激活非典型应力诱导面心立方相变的新型微观结构设计范式，用于打破钛合金中传统的强度-延展性权衡。
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122166
背景介绍
钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、海洋工程、生物医学等领域具有广泛应用。然而，传统钛合金中高强度往往伴随低塑性（通常延伸率低于8%），强度-延展性权衡是长期困扰材料科学家的核心难题。在钛合金的平衡相图中，体心立方、密排六方和六方omega结构常见，而面心立方结构几乎不存在。然而近几十年的研究发现，在特定条件下（如剧烈塑性变形、快速凝固、热处理等），密排六方钛可转变为亚稳态的面心立方钛相。这种应力诱导的相变可产生相变诱导塑性效应，类似于钢中的马氏体相变，有望同时提升强度和塑性。然而，在块体钛合金中，密排六方alpha相与体心立方beta相之间的机械不相容性往往导致应力集中在相界面，优先引发位错塞积和裂纹萌生，而非触发面心立方相变。因此，如何可靠地激活应力诱导面心立方相变成为突破强塑性瓶颈的关键。本研究通过独特的微观结构设计，成功激活了非典型应力诱导面心立方相变，实现了超高强度（1421 MPa）与高延伸率（12.8%）的优异匹配。
实验结果展示
图1. (a) 慢速锻造液压机示意图；(b) 热机械加工流程图；(c) 锻造过程示意图；FBD-L样品(d)和FTD-E样品(e)的金相显微组织。
图2. FBD-L和FTD-E样品的微观结构表征：(a) FBD-L样品中显示alpha_e、alpha_t和alpha_s的SEM图像；(b) 显示层状beta基体的反极图，叠加高角度晶界和低角度晶界；(c) 对应(b)的相图；(d) alpha相反极图叠加图像质量图，插图为黄色矩形内放大视图；(e) (b)中A到B的相关取向差；(f) FBD-L样品中alpha_s相的长宽比分布；(g) FTD-E样品中显示alpha_e、alpha_t和alpha_s的SEM图像；(h) 显示等轴beta基体的反极图，叠加高角度晶界和低角度晶界；(i) 对应(h)的相图；(j) alpha相反极图叠加图像质量图，插图为黄色矩形内放大视图；(k) (h)中A到B的相关取向差；(l) FTD-E样品中alpha_s相的长宽比分布。
图3. 通过TEM对FBD-L样品中三模态alpha相的详细表征和元素分析。(a) alpha_e的明场像，(e) alpha_r的明场像，(i) alpha_s的明场像，其中(a)、(e)、(i)中的插图为对应的选区电子衍射花样；4D-STEM结果包括(b、f、j)反极图和(c、g、k)相图，分别对应(b、c) alpha_e、(f、g) alpha_r和(j、k) alpha_s；(d) alpha_e、(h) alpha_r和(l) alpha_s的STEM-HAADF图像及其对应的EDS面分布图。
图4. FTD-E和FBD-L样品的室温拉伸行为：(a) 工程应力-应变曲线，插图为拉伸数据列表；(b) 真应力-应变和加工硬化率曲线；(c) 本工作与文献中其他高强度钛合金的抗拉强度和延伸率对比。
图5. FBD-L和FTD-E样品拉伸后的微观结构特征：(a、e) 对应区域1；(b、f) (a、e)中红色矩形区域的高倍放大图像；(c、g) 对应区域2；(d、h) (c、g)中蓝色矩形区域的高倍放大图像。
图6. (a) FBD-L样品的整体断口形貌；(b) 中心纤维区的高倍形貌；(c) 边缘区域的高倍形貌；(d) FTD-E样品的整体断口形貌；(e) 纤维区的高倍形貌；(f) 边缘区域的高倍形貌。
图7. (a) 拉伸测试后alpha_s相的明场像，其中(a)中的插图为对应的选区电子衍射花样；(b) (a)中红色矩形的高分辨TEM及其对应的快速傅里叶变换花样；(c) (b)中蓝色矩形的IFFT图像显示alpha_s/beta界面，验证位错活动；拉伸测试前(d) alpha_s和(e) beta基体的KAM图及KAM统计值；拉伸测试后(f) alpha_s和(g) beta基体的KAM图及KAM统计值；(h) 拉伸测试后alpha_s相的明场像，插图为对应的SAED花样；在(g = <0002>) (i)和(g = <01-10>) (j)双束条件下的位错分析；拉伸测试前(k)和拉伸测试后(l) alpha_s的KAM图及KAM统计值。
图8. (a) 6%拉伸应变下alpha_e的明场像；(b) 拉伸测试后alpha_e的明场像；(c) (b)中橙色虚线圆对应的SAED花样；(d) (b)中黄色矩形内显示FCC片层的暗场像；(e) (b)中黄色矩形内alpha_e相的STEM-HAADF图像及Ti、Mo、Nb、Cr、Al、Zr的EDS元素面分布图；(f) 沿(e)中黑色箭头方向的元素线扫描结果；alpha_e相的4D-STEM (g)反极图和(h)相图；拉伸测试前(i)和拉伸测试后(j) alpha_e的KAM图及KAM统计值。
图9. (a) FBD-L和FTD-E样品单轴和循环拉伸测试获得的真应力-应变曲线；(b) 显示滞后环的代表性LUR循环；(c) 背应力sigma_b计算示意图；(d) FBD-L和FTD-E样品在塑性变形过程中背应力的多阶段演化。
图10. (a) 10%拉伸应变后含有等轴析出相的基体中的von Mises应力分布；(b) 10%拉伸应变后含有棒状析出相的基体中的von Mises应力分布；(c) 不同取向棒状析出相的von Mises应力分布；(d) 不同形态结构析出相的最大von Mises应力值随应变的变化曲线。
图11. (a) 密排六方钛在单轴拉伸过程中的应力-应变曲线；(b) 密排六方钛中面心立方相含量随应变的变化曲线；(c) 应变为0.08时的原子构型；(d) 应变为0.12时的原子构型；(e) 密排六方钛的原子构型；(f) 面心立方钛的原子构型。
图12. (a) 密排六方/面心立方相界面的高分辨TEM图像，插图为对应的FFT图像；通过GPA分析从(a)得到的(b) epsilon_xx和(c) epsilon_yy分量；(d)、(e)、(f)分别为界面区域、密排六方区域和面心立方区域的傅里叶滤波高分辨TEM图像；(g) 相变示意图；(h) 面心立方相中纳米孪晶的高分辨TEM图像及对应的FFT花样，T和M分别代表孪晶和基体；(i) (h)中蓝色方框的反傅里叶变换图像，显示层错（黄色箭头）。
图13. (a) FTD-E和FBD-L样品的XRD分析；(b) XRD曲线的修正Williamson-Hall图（5 sin(theta) vs. beta cos(theta)），虚线为线性拟合线；(c) FTD-E和FBD-L样品各强化机制对屈服强度的贡献。
图14. FBD-L样品与FTD-E样品变形-损伤过程的现象学模型对比。
主要研究内容
本文以Ti-7Mo-3Nb-3Cr-1Al-2Zr合金为对象，采用最后一道次双向锻造工艺制备了一种新型多尺度层状微观结构（FBD-L样品），并与传统三向锻造（FTD-E样品）进行对比。通过SEM、EBSD、TEM、4D-STEM、分子动力学模拟和有限元模拟等手段，系统研究了微观组织、力学性能及变形机制。
机制解析
独特微观结构设计FBD-L样品中，棒状alpha_r析出相优先水平分布在层状beta晶界附近，其长轴垂直于锻造方向且与拉伸方向平行。这种分布有效缓解了alpha/beta界面的应力集中，避免了早期裂纹萌生。
背应力硬化与均匀延伸率提升层状异质结构产生了显著的包辛格效应和高背应力。背应力随应变快速上升并维持在高水平，延缓了塑性失稳，将均匀延伸率从FTD-E样品的3.8%提升至5.5%。
应力诱导HCP→FCC相变在高应力高应变条件下，水平分布的alpha_r相内部发生HCP到FCC的相变，形成FCC片层。分子动力学模拟显示，当应变达到0.08时FCC相突然形成，伴随应力松弛。FCC相具有更多滑移系和较低层错能，能够储存和传输位错，提高加工硬化率。
纳米孪晶与TRIP效应FCC相内观察到(111)面上的纳米孪晶和层错，激活了孪生诱导塑性效应，进一步释放内应力，增强应变兼容性，抑制界面剪切和微裂纹萌生。非均匀延伸率从3.0%大幅提升至7.3%。
强化机制定量分析采用线性叠加模型计算了固溶强化、位错强化、晶界强化和第二相强化的贡献，理论屈服强度与实验值（约1300 MPa）吻合良好，验证了模型的可靠性。
文章总结
本研究通过最后一道次双向锻造工艺，成功在超高强度钛合金中构建了一种新型多尺度层状微观结构，其特征为棒状alpha_r析出相优先水平分布于层状beta晶界附近。该结构不仅作为有效的滑移屏障抑制位错长程传播，产生高背应力从而提升均匀延伸率，还显著缓解了alpha/beta界面的应力集中，为激活非典型应力诱导HCP到FCC相变创造了条件。变形过程中，棒状alpha_r相内形成的FCC片层及纳米孪晶通过相变诱导塑性效应显著增强了材料的应变兼容性和加工硬化能力，从而将延伸率提升至12.8%，同时保持1421 MPa的超高抗拉强度。该研究为打破钛合金强度-延展性权衡提供了全新的微观结构设计范式。
