(資料圖)
亞穩(wěn)工程，即利用相變/孿晶誘發(fā)塑性(TRIP/TWIP)，通過動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)顯著提高亞穩(wěn)態(tài)合金的加工硬化率，從而平衡材料的強(qiáng)度-延/韌性矛盾。然而， TRIP/TWIP效應(yīng)通常具有較低的臨界啟動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致合金展現(xiàn)出極低的屈服強(qiáng)度，從而限制了此類合金進(jìn)一步的工程應(yīng)用。通常，強(qiáng)化亞穩(wěn)態(tài)合金有以下兩種典型的方法。一是通過提高相穩(wěn)定性來調(diào)整變形機(jī)制，使其從TRIP轉(zhuǎn)變?yōu)門WIP，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)的位錯(cuò)塑性(ODP)；然而，在不改變合金成分的情況下，這一策略無法調(diào)控TRIP/TWIP和ODP的激活順序。二是構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過晶界、異質(zhì)層界面和/或析出相的空間分布和約束效應(yīng)來控制馬氏體、孿晶等塑性載體的活動(dòng)，其中異質(zhì)疊層設(shè)計(jì)能夠有效地結(jié)合穩(wěn)態(tài)硬相組元ODP和亞穩(wěn)態(tài)軟相組元TRIP/TWIP從而高效地強(qiáng)化材料。然而，如何大幅度提升亞穩(wěn)態(tài)合金TRIP/TWIP的啟動(dòng)應(yīng)力以提升材料的屈服強(qiáng)度，并在基體中實(shí)現(xiàn)變形機(jī)制啟動(dòng)順序的精準(zhǔn)控制，目前仍然是單相亞穩(wěn)態(tài)合金設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述問題，西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍院士團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr (wt%)亞穩(wěn)鈦合金，提出了一種與眾不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，即少量的多形態(tài)硬質(zhì)-塑性α納米析出相分布于亞穩(wěn)態(tài)軟相β基體的新型異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)，明顯不同于以往大量的亞穩(wěn)態(tài)軟相鑲嵌在硬相基體中的層狀化設(shè)計(jì)。這種獨(dú)特的納米析出相與層狀化設(shè)計(jì)相結(jié)合的微觀組織優(yōu)勢(shì)在于：疊層結(jié)構(gòu)極大的提升了亞穩(wěn)態(tài)β基體的馬氏體相變啟動(dòng)應(yīng)力，使得原本在高應(yīng)力下啟動(dòng)的位錯(cuò)滑移機(jī)制在低應(yīng)變下得以出現(xiàn)，從而顯著提升了合金的屈服強(qiáng)度，同時(shí)持續(xù)提高的加工硬化能力和應(yīng)力水平使得馬氏體相變又能夠在高應(yīng)變下發(fā)生，成功實(shí)現(xiàn)了ODP與TRIP在塑性變形過程中的“無縫銜接”（圖1）。團(tuán)隊(duì)采用循環(huán)熱軋和短時(shí)固溶工藝克服了亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金晶粒易粗化的弊端，通過改變循環(huán)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了納米析出相晶內(nèi)與界面的雙態(tài)分布和軟相β層厚（0.3~3.2μm）的靈活控制，使得變形機(jī)制在臨界層厚尺寸~0.8μm發(fā)生轉(zhuǎn)變。合金中硬質(zhì)-塑性α納米析出相不僅作為強(qiáng)化相用來提升材料的強(qiáng)度，還作為應(yīng)力集中源在高應(yīng)力下激活亞穩(wěn)態(tài)基體的馬氏體相變實(shí)現(xiàn)TRIP效應(yīng)增加延性，同時(shí)在變形后期這些納米析出相可觸發(fā)界面分層增韌機(jī)制以增加材料的斷裂韌性。因此，通過調(diào)控基體層厚尺寸與硬質(zhì)-塑性納米析出相的分布，精準(zhǔn)控制了TRIP和ODP的啟動(dòng)次序，即在變形初始的低應(yīng)變下首先激活ODP，并在隨后的大應(yīng)變下激活TRIP，實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)鈦合金形變-相變機(jī)制的協(xié)同耦合作用，使合金屈服強(qiáng)度提升一倍而不損失其均勻塑性（圖2）。團(tuán)隊(duì)提出的新型異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略為開發(fā)高性能亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金提供了一種有效的范例，并為設(shè)計(jì)先進(jìn)鈦合金和其它具有類似特性的金屬結(jié)構(gòu)材料提供了新的思路。
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