金屬合金在不降低強度的前提下，增加延展性可以有效提高其應用性能并改善制造工藝。近年來，將結構設計方法應用于金屬材料，開發(fā)具有優(yōu)異強塑性協(xié)同效應的材料方面取得了顯著的成功。然而，納米結構金屬的生產(chǎn)效率通常很低，而且通常很難或不可能制備大尺寸的金屬制品。為了克服這些限制，進一步探索同時具有高強度和高塑性的粗晶單相金屬的成分設計具有重要的意義。

　　鈦合金是一種重要的結構金屬，由于其密度低、比強度高以及能夠通過加工來控制其性能，已被廣泛應用于各種應用領域。不幸的是，傳統(tǒng)的鈦合金通常表現(xiàn)出較低的延展性(<20%)，有限的應變硬化，并且在強度和塑性之間存在較大的不平衡差異。大大的限制了在高性能和安全應用中的潛在使用。

　　固溶強化是提高金屬合金屈服強度的常用策略。對于體心立方β-Ti合金，β穩(wěn)定溶質元素可分為β同晶和β共析。β相穩(wěn)定性的經(jīng)驗指標Mo當量([Mo]eq)與β-Ti合金的塑性變形密切相關。每種合金元素所提供的固溶強化作用也不盡相同。這是由于溶質原子與Ti固溶體之間的相互作用不同所致。因此，β相的穩(wěn)定性水平和合金元素的選擇直接影響到設計合金的最終力學性能。

　　近日，來自北京航空航天大學等單位的一項最新研究設計了一種高強度、高塑性的單相β鈦合金，屈服強度達到870 MPa，延伸率為41%，還具有2.5GPa的超高應變硬化率。相關論文以題為“Simultaneously enhanced strength andductility in a metastable β-Ti alloy by stress-induced hierarchical twin structure”發(fā)表在《scripta Materialia》。

　　在這項工作中，研究人員首先根據(jù)Mo當量方程，考慮其相對穩(wěn)定強度，穩(wěn)定β的Mo、Cr、Fe元素均具有較強的固溶強化作用。Mo+Fe或Cr+Fe的聯(lián)合添加比單獨添加每種元素提供的強化要大得多。對于所設計的合金，用成本較低的Fe和Cr部分取代了原型Ti-12Mo合金中的Mo，開發(fā)了一種新型的Ti-12Mo合金，具有高屈服強度的四元Ti+Mo+Cr+Fe合金。此外，還利用分子軌道理論和Mo當量確定了各元素的相對濃度。對于分子軌道理論方法，通過調整鍵級(Bo)和d軌道能級(Md)來確定合金的位置。以孿晶變形為主的區(qū)域，同時也考慮到較大的Bo或較小的Md賦予較高的穩(wěn)定性。同時，對合金的[Mo]方程進行了設計。

　　圖1. Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金固溶處理后的顯微組織

　　圖2. 經(jīng)β固溶處理的Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金的力學性能

　　圖3. Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金在2.5%應變(a)(b)和10%應變(c)(d)后的顯微組織

　　圖4.應變10%的試樣透射電鏡分析(a)    {332}<113>孿晶的亮場圖像；(b)和(c)顯微結構的放大觀察；(d)SAED圖案沿[113]β區(qū)軸形成；(c)中的黃色圓圈區(qū)域；(e)由(d)中的黃色圓圈標記的反射所得的暗場圖像；(f)層次結構示意圖。

　　這項研究成果通過控制β合金的穩(wěn)定性和變形機制，合理選擇合金穩(wěn)定性和合金元素，設計了一種新型的高強高塑性亞穩(wěn)βTi-4Mo-3Cr-1Fe合金。經(jīng)β固溶處理的合金具有優(yōu)異的力學性能，極限抗拉強度為1092 MPa，屈服強度為870 MPa，塑性優(yōu)良，總延伸率為41%，超高應變硬化率為2.5GPa。該產(chǎn)品的強塑積是前所未有的，高達45 GPa%。基于形變顯微組織的非原位研究發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)異的力學性能歸因于在拉伸變形過程中應力誘導的納米級層狀孿晶結構。Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金具有優(yōu)異的綜合力學性能，在先進的結構應用領域具有巨大的潛力，本研究提出的合金設計策略可能有助于未來高性能β-Ti合金的發(fā)展。（文：馮馮）