通过调控由应力引起的马氏体转变过程（利用初级α相），增强Ti-7Mo-3Al-3Cr-3Nb合金的加工硬化性能

钛合金热处理调控α相比例提升工作硬化率。研究Ti-7Mo-3Al-3Cr-3Nb合金，通过800-845℃热处理获得1.4%-9.1%α相，实现12.8 GPa超高工作硬化率，同时保持TRIP效应下的16%延伸率。机制涉及α相稳定β基体，激活多阶段变形：初期β相→α''相变与滑移协同；中期动态Hall-Petch效应细化β相；后期多类型马氏体孪生与复合滑移持续强化。

　　

朱晓勇|栾百峰|严安|白晨光|张敏|孙风伟|张志清|寇洪超

国际轻合金联合实验室（教育部），沈阳材料科学国家实验室，重庆大学材料科学与工程学院，中国重庆400044

摘要

亚稳态β钛合金通过变形诱导塑性（TRIP）和/或孪晶诱导塑性（TWIP）可以实现延展性的提高；然而，它们的加工硬化率通常限制在约1–3 GPa，这限制了进一步的强化。在这项研究中，一种Ti-7Mo-3Al-3Cr-3Nb（重量百分比）合金通过简单的热处理在α+β相区中调整了初生α相的比例，表现出高达约12.8 GPa的超高加工硬化率。同时，TRIP效应得以保持，使得拉伸伸长率达到约16%。这种机械响应与β基体中初生α相的均匀分布有关，这种分布调节了保留β相的稳定性，并控制了应力诱导的马氏体转变的激活。在变形过程中，多种α″马氏体变体的逐步激活以及马氏体孪晶的形成细化了保留的β基体，并在中等应变下产生了显著的动态Hall-Petch效应。在更高应变水平下，马氏体畴的形成和额外的孪晶模式有助于持续的塑性变形和应变局域化的延迟。同时，初生α相中<a>和<c+a>滑移的协调激活提高了变形适应性。这些结果展示了一种通过控制β→α″马氏体转变来增强亚稳态β钛合金应变硬化的有效微观结构途径。

引言

由于其优异的强度-延展性组合，亚稳态β钛合金在航空航天工业中被广泛使用[1,2]。然而，随着航空技术的快速发展，对钛合金的机械性能提出了越来越严格的要求。为此，人们投入了大量努力来开发具有变形诱导塑性（TRIP）和孪晶诱导塑性（TWIP）的β钛合金，包括Ti-12Mo [3]、Ti-15Mo [4]、Ti-9Mo-6W [5]、Ti-7Mo-3Cr [6]、Ti-4Mo-3Cr-1Fe [7]、Ti-10V-4Cr-1Al [8]、Ti-8.5Cr-1.5Sn [9] 和 Ti-3Al-5Mo-7V-3Cr [10]。这些合金通常通过应力诱导的β→α″马氏体转变和{332}<113>_β和/或{112}<111>_β孪晶的激活而变形，从而实现高拉伸强度（约900–1200 MPa）和较大的伸长率（33%–41%）。

尽管取得了这些进展，大多数TRIP/TWIP辅助的β钛合金的加工硬化率仍低于约3 GPa，这对进一步的强度提升构成了关键限制。虽然屈服强度主要由初始微观结构状态决定，但高的加工硬化能力对于维持塑性变形、抑制应变局域化以及通过微观结构设计实现有利的强度-延展性平衡至关重要[11]。加工硬化不足不仅限制了均匀伸长率，还降低了在复杂载荷条件下的损伤容忍度和结构可靠性[12,13]。因此，旨在从根本上提高β钛合金加工硬化率的策略引起了越来越多的关注。

亚稳态β钛合金的加工硬化行为与其变形机制密切相关。Marteleur等人[14]报告称，在Ti-12Mo合金中，包括{332}<113>_β孪晶和应力诱导形成的α′（HCP）和α″（正交）马氏体在内的多种变形机制同时被激活，它们的相互作用有助于增强应变硬化。随后的Sun等人[3]的研究强调，这些机制的存在及其激活顺序对加工硬化行为至关重要。例如，在Ti-7Mo-3Cr合金中，β孪晶在早期变形阶段占主导地位，而在较高应变下应力诱导的马氏体转变（SIMT）变得明显，从而提高了应变硬化率并实现了均匀的塑性变形。然而，即使结合了TRIP和TWIP效应，可获得的加工硬化率通常仍然较低（< 3 GPa）[15,16]。这一限制归因于应力诱导的α″马氏体的重定向以及α″马氏体和β孪晶本身的内在柔软性，这逐渐降低了它们储存位错和维持应变硬化的能力。为了克服这一明显的机制上限，最近的研究探索了在变形过程中促进β→α′马氏体转变的合金设计。由于α′马氏体具有六方密排结构且活性滑移系数量有限，因此它表现出更高的晶格抗位错运动能力，从而实现了更高的加工硬化率[17]。值得注意的是，其中一些合金具有初生α相（α_P）+β微观结构，α_P相不仅有助于沉淀强化，还改变了保留的β（β_r）相的稳定性。据报道，α_P和β稳定性之间的协同效应可以在某些合金系统中使加工硬化率显著提高，达到4–12 GPa[18,19]。细小且分布均匀的α沉淀物将β基体分割成受限的畴，从而提高了应力诱导的α″马氏体（SIM α″）转变的临界应力，并限制了马氏体的生长[20]。这些观察表明，α_P相通过调节β相稳定性在调控变形路径和应变硬化行为中起着关键作用。

随着α相比例的增加，βr相的主导变形模式逐渐从SIM α″转变为β孪晶，最终转变为位错滑移[19,21]。因此，先前的研究表明，适当的α_P比例对于最大化加工硬化能力至关重要[[18], [19], [20]]。然而，在具有α_P+β微观结构的β钛合金中，主要通过SIM α″转变实现的超高加工硬化率很少被报道。特别是，α″马氏体的变形行为及其对应变硬化的贡献在这些多相系统中的理解还不够充分。

在β→α″马氏体转变过程中，可以形成各种马氏体孪晶，包括{111}_α"型I孪晶、<211>_α′′型II孪晶和{011}_α′′复合孪晶，以适应变形应变[[22], [23], [24]]。在进一步变形过程中，α″马氏体可能会发生重定向并形成额外的变形孪晶，如{130}<3$\bar{1}$_α′′复合孪晶和{112}_α′′型I孪晶[[25], [26], [27], [28]]。尽管它们具有潜在的重要性，但马氏体孪晶在α″马氏体中控制加工硬化行为的作用却受到了有限的关注，特别是在α_P+β钛合金中。

在本研究中，系统地研究了α_P+β Ti-7Mo-3Al-3Cr-3Nb（重量百分比）（Ti-7333）合金在拉伸变形过程中的加工硬化行为和微观结构演变。特别关注了不同变形阶段的应力诱导马氏体转变和马氏体孪晶，以阐明超高加工硬化率的起源。此外，量化了马氏体对应变硬化的贡献，并提出了一种通过调整初生α相的β相稳定性来增强β钛合金加工硬化能力的策略。

材料与方法

本研究使用了直径为250毫米的Ti-7333合金棒材。这些棒材通过多次锻造工序制成，详细的制造过程已在其他地方报道[29]。合金的化学成分列在表1中。通过金相分析确定β转变温度为850 ± 5°C。从锻造棒材切割出的样品分别在800、815、830和845°C下热处理60分钟，然后进行水淬。根据测量的初生

初始微观结构

图1显示了不同热处理温度下样品的微观结构。在HT-9.1α样品中，α_P相的面积分数约为9.1%（图1(a, b)）。随着热处理温度的升高，HT-5.6α、HT-2.6α和HT-1.4α样品中的α_P相面积分数分别逐渐降低到约5.6%、2.6%和1.4%（图1(d, e, h, k)）。α_P相主要分布在β晶界上，只有少量位于

初生α相的作用

在双相α+β亚稳态β钛合金中，初生α相在控制变形行为方面扮演着多重且相互竞争的角色，而不仅仅是作为单一的强化机制。在微观尺度上，α/β相对比引入的异质应力分布局部促进了β基体中的马氏体核化[11]，这一点从马氏体在α/β界面附近的优先形成可以得到证明（图3）。在随后的变形过程中，α_P相进一步限制了

结论

在这项研究中，系统研究了含有约1.4%–9.1%初生α相的β Ti-7333合金在拉伸变形过程中的应力诱导马氏体转变和马氏体孪晶行为，以及它们对机械性能的影响。基于机械测试和微观结构表征，可以得出以下结论：

(1)

通过调整

未引用的参考文献

[41,42]

CRediT作者贡献声明

朱晓勇：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，可视化，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。栾百峰：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，资金获取。严安：可视化，验证，研究，正式分析，数据管理。白晨光：写作 – 审稿与编辑，资源管理，项目管理。张敏：写作 – 审稿与编辑，可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：U21A2050）和安徽高等教育机构科研项目（编号：2023AH040233）的财政支持。作者还感谢重庆大学电子显微镜中心和重庆大学分析测试中心提供的测试平台。