導(dǎo)讀：由于晶界的低熱穩(wěn)定性，晶界工程（GBE）對(duì)可實(shí)現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)度和類(lèi)型有一定的限制，而獨(dú)特的化學(xué)界面工程（CBE）使我們能夠創(chuàng)造出具有超細(xì)層次的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的金屬材料，以提高材料的機(jī)械性能。本文使用低成本的可變質(zhì)Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al（wt%）合金作為模型材料，通過(guò)Cr和Al合金元素之間的顯著擴(kuò)散失配來(lái)創(chuàng)造高密度的化學(xué)邊界（CB），以構(gòu)建平均厚度為~20納米的分層納米馬氏體。對(duì)于這種可變質(zhì)的鈦合金，明顯增強(qiáng)的屈服強(qiáng)度源于密集的納米馬氏體界面強(qiáng)化，同時(shí)，大的延展性歸因于分層的三維α'/β層在等軸原生α（αp）結(jié)核協(xié)助下的多階段應(yīng)變硬化。分層納米馬氏體工程策略使我們的合金具有理想的強(qiáng)度和延展性組合，這有可能應(yīng)用于許多可轉(zhuǎn)化的合金，并揭示了超強(qiáng)韌性結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新目標(biāo)。
可變質(zhì)合金中的馬氏體相變，如鈦（Ti）合金、鋼和多成分合金，可以實(shí)現(xiàn)以下一個(gè)甚至兩個(gè)關(guān)鍵好處：由于雙相顯微結(jié)構(gòu)（由于高溫相的熱穩(wěn)定性降低）導(dǎo)致的界面硬化和轉(zhuǎn)化引起的硬化（由于室溫相的力學(xué)穩(wěn)定性降低）。在合金中，應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的馬氏體轉(zhuǎn)變，往往使屈服強(qiáng)度（σy）低16,17，使極限抗拉強(qiáng)度（σUTS）、加工硬化率（θ）和失效伸長(zhǎng)率（εf）明顯增強(qiáng)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，馬氏體硬化是由霍爾-佩奇(like)關(guān)系所決定的，因此預(yù)計(jì)在微觀結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)納米馬氏體，以加強(qiáng)和延展合金的優(yōu)良機(jī)械性能。
高比強(qiáng)度的鈦合金可以被設(shè)計(jì)成大εf的高σy，是輕質(zhì)的重要結(jié)構(gòu)材料。原則上，雙相鈦合金的非凡機(jī)械性能是通過(guò)調(diào)節(jié)晶界（GB）和異相界（PB）的數(shù)量或排列來(lái)調(diào)整的，例如，α/β界面，這是合金中的平面不連續(xù)。由等軸的初級(jí)α（αp）結(jié)核和嵌入β基體中的次級(jí)α（αs）層狀物組成的雙相微觀結(jié)構(gòu)使Ti合金具有良好的平衡特性。除了擴(kuò)散（β-α）轉(zhuǎn)變，PB可以通過(guò)無(wú)擴(kuò)散位移（β-α'）轉(zhuǎn)變引入，這取決于冷卻速度和化學(xué)成分。PBs的密度或馬氏體α'的大小可以通過(guò)化學(xué)邊界（CBs）的密度來(lái)調(diào)整，化學(xué)邊界是由晶格連續(xù)區(qū)域內(nèi)至少一種元素濃度的急劇不連續(xù)所定義的，因?yàn)楦邷叵碌腃Bs可以限制馬氏體的生長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)化。最近在Ti-4Mo和Ti-6Al-4V合金中的研究結(jié)果表明，當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)由微米和亞微米規(guī)模的α'和初級(jí)α相組成時(shí)，它們表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的拉伸性能。然而，可變質(zhì)的雙相鈦合金（含有微馬氏體），例如Ti-6Al-4V合金，往往遭受相對(duì)較低的σy，約為1100 MPa或甚至更低。因此，通過(guò)CB工程（CBE）策略，設(shè)計(jì)一種具有高屈服強(qiáng)度σy和延展性的納米馬氏體強(qiáng)化的Ti合金是可取的。
在這項(xiàng)工作中，西安交通大學(xué)孫軍等人通過(guò)調(diào)整β穩(wěn)定劑Cr的濃度來(lái)調(diào)整高溫下CBs的密度，從而調(diào)節(jié)低成本的Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al（x=1.8、2.3和2.8 wt%）合金的后續(xù)相變行為。利用CBE策略，我們創(chuàng)造了迄今為止報(bào)告的最細(xì)小的納米馬氏體，實(shí)現(xiàn)了馬氏體鈦合金的最高屈服強(qiáng)度和極大的延展性。與經(jīng)歷空氣冷卻（AC，σy ~981 MPa和εf ~22.8%）的鍛造合金相比，這種具有20納米厚的納米馬氏體的分層結(jié)構(gòu)的WQ Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金表現(xiàn)出超高的強(qiáng)度σy ~1266 MPa和巨大的延展性εf ~12.6%。
相關(guān)研究成果以題：“Hierarchical nano-martensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy”發(fā)表在著名期刊Nature上。
圖1 a BCC-Ti和HCP-Ti基體中的Cr和Al元素分別隨溫度變化的擴(kuò)散率D。b BCC-Ti和HCP-Ti基體中的Cr和Al元素分別隨溫度變化的擴(kuò)散距離L/秒。
圖2 a 掃描TEM(STEM)圖像顯示βtrans(αs + β)+αp的結(jié)構(gòu)。e 高分辨率(HR)TEM和相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)圖像顯示了與錯(cuò)位位錯(cuò)相關(guān)的β/αs界面。f 通過(guò)反FFT過(guò)濾得到的[21-1]β晶格條紋顯示了αs/β界面的錯(cuò)位位錯(cuò)。
圖3 a 暗場(chǎng)TEM圖像顯示了由βtrans（α'+β）+αp組成的微觀結(jié)構(gòu)。b, c APT表征顯示了Ti-Cr-Zr-Al合金中的元素分布。d HR-TEM圖像顯示納米尺寸α′，?19.2 nm。e d的相應(yīng)區(qū)域的HR-TEM圖像，顯示β/α'相邊界。f, g WQ 樣本中α'和β相的分布。f 中的插頁(yè)是WQ 樣品中分布的αp的顆粒。h 目前Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al (x = 1.8, 2.3, 2. 8)合金和其他報(bào)道的馬氏體Ti合金的α′厚度的比較。包括Ti-4Mo5，Ti-5Al-3Mo-1.5V37，SLM-TC4，As-HIP′ed TC46，TC4（previous-β grain），Ti-V-（Al，Sn）系列，和Ti-V-Sn系列。誤差條代表標(biāo)準(zhǔn)偏差。
圖4 a 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b本Ti合金的抗拉強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率，以及c本Ti合金的屈服強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率與迄今報(bào)道的其他高強(qiáng)度α'/β-Ti合金的比較。d本Ti合金的比屈服強(qiáng)度和生產(chǎn)成本與其他報(bào)道的高強(qiáng)度α'/β-Ti合金的比較。
圖5 a1-a6, c1-c6, e1-e6, g1-g6 不同冷卻速率后的相應(yīng)結(jié)構(gòu)域。b1-b6, d1-d6, f1-f6, h1-h6 不同冷卻速率后的成分域，淺藍(lán)色和近紅色分別代表貧鉻域和富鉻域。色條指的是鉻濃度（wt.%），不同的顏色區(qū)分了鉻耗盡區(qū)（淺藍(lán)色）和鉻富集區(qū)（近紅色）。
圖6 傳統(tǒng)成核和生長(zhǎng)機(jī)制形成的α核的結(jié)構(gòu)順序參數(shù)（a）和濃度（b）的演變。由馬氏體機(jī)制形成的α'核的結(jié)構(gòu)順序參數(shù)（c）和濃度（d）的演變。由馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制形成的α'核的結(jié)構(gòu)順序參數(shù)（e和g）和濃度（f和h）的演變。
圖7 a1-a4 AC Ti合金的拉伸試驗(yàn)在三個(gè)臨界階段中斷。a1 TEM圖像顯示αp相中的位錯(cuò)，第一階段。b1-b4 WQ Ti合金的拉伸試驗(yàn)在三個(gè)關(guān)鍵階段被打斷。b1 TEM圖像顯示αp相中的位錯(cuò)，階段I。b3, b4 明視場(chǎng)和HR-TEM圖像顯示位錯(cuò)可以穿過(guò)α'/β界面，導(dǎo)致局部剪切，階段III。均勻伸長(zhǎng)率（εU）是根據(jù)Consider's criterion確定的。
圖8 a, b WQ樣品。a斷裂表面的SEM圖像顯示αp/β和αs/β界面上的空隙。bAC樣品的整個(gè)斷裂表面的投影。b1斷裂表面的放大圖像顯示均勻的凹痕和空隙。c, d AC樣品。c斷裂表面的SEM圖像顯示裂紋在α'/β界面的傳播和偏移。dAC樣品整個(gè)斷裂表面的投影。
顯然，與迄今為止報(bào)道的其他雙相α'/β-鈦合金相比，我們的Ti-Cr-Zr-Al合金表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度和延展性組合。特別是，前所未有的高強(qiáng)度（σy ~1266 MPa和σUTS ~1413 MPa）使目前的Ti-Cr-Zr-Al WQ合金有別于所有報(bào)道的α'/β-Ti合金，一般來(lái)說(shuō)，這些合金要么強(qiáng)度低，要么延展性低（或者兩者都低）。換句話說(shuō)，WQ合金顯示出最高的強(qiáng)度和拉伸延展性，即強(qiáng)度和延展性的優(yōu)秀組合。事實(shí)上，σUTS和εf的乘積，通常作為斷裂韌性的良好指標(biāo)，在18GPa%至27GPa%的范圍內(nèi)或目前的Ti-Cr-Zr-Al合金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述大多數(shù)報(bào)道的Ti合金。似乎我們的合金與報(bào)道的合金相比，同時(shí)突出了最高的SYS和最低的生產(chǎn)成本。鑒于熱力學(xué)加工的便利性和簡(jiǎn)單的熱處理，預(yù)計(jì)這種低成本、超強(qiáng)韌性的Ti-Cr-Zr-Al合金可以在更多的行業(yè)中擴(kuò)大其應(yīng)用。
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