通过一种新颖的微观结构设计策略，在超高强度钛合金中实现异常应力诱导的FCC（面心立方）相变，从而增强材料的塑性

《Energy》：Activation atypical stress-induced FCC transformation to enhance plasticity via a novel microstructural design strategy in ultrahigh-strength titanium alloy

应力诱导FCC相变调控钛合金强度-延展性协同提升。采用双向终锻制备具有αr棒状析出物/层片状β晶界复合结构的钛合金，析出物抑制位错跨晶界扩展，缓解界面应力集中，促进FCC相变激活，实现1421MPa强度与12.8%延展性突破。

　　

张畅|张书志|卢畅|史志林|张泽辉|张长江|杜兆新|张俊松|梁顺星|张新宇|刘瑞平

中国秦皇岛燕山大学亚稳态材料科学技术国家重点实验室先进结构材料中心，邮编066004

摘要

相变诱导塑性（TRIP）效应有助于提高钛合金的强度和延展性。尽管面心立方（FCC）相在热力学上不稳定，在钛合金中很少观察到，但最近的研究证实了其在纯钛中的应力诱导形成，为同时实现强度增强和延展性提升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FCC相变的新多尺度微观结构设计策略，用于开发高性能钛合金。通过最终阶段的双向锻造，形成了一种独特的微观结构，其特征是棒状α_r沉淀物优先分布在层状β晶界附近。这些沉淀物具有三个关键功能：（i）作为有效的滑移屏障，抑制位错滑移穿过β晶界；（ii）减轻α/β界面处的应力集中；（iii）通过（i）和（ii）机制之间的协同作用促进FCC相变的激活。所得钛合金表现出超高的抗拉强度（1421 MPa）和显著的伸长率（12.8%）。本研究建立了一种基于非典型应力诱导FCC相变激活的新型微观结构设计范式，打破了钛合金中传统的强度-延展性权衡。

引言

在钛合金的平衡相图中，通常观察到体心立方（BCC）、六方密排（HCP）和六方ω结构，而面心立方（FCC）结构几乎不存在[1]。然而，大量研究已经证实了FCC Ti相的存在。FCC Ti相最早由Wawner等人在1969年报道，他们在NaCl基底上沉积的单晶外延薄膜中发现了这一相[2]。迄今为止，生成FCC Ti相的方法主要依赖于从HCP Ti相的无扩散原子转变。这些转变主要发生在变形[3]、[4]、[5]、[6]、凝固[7]和热处理[8]、[9]、[10]、[11]过程中，由晶界处的机械应力或热应力驱动。例如，在纯钛和TC4的严重塑性变形过程中——如通过高能球磨[12,13]、轧制[14]和压缩[15,16]——可以通过多种机制激活FCC Ti相，包括裂纹尖端的应力集中[7]、缺陷积累[12]和晶粒细化[16]。Wei等人利用第一性原理计算理论证明了从HCP Ti到FCC Ti的相变可行性[17]。这种转变可以通过Shockley部分位错的运动[18]来实现。分子动力学（MD）模拟进一步表明，FCC Ti的成核和生长是通过HCP Ti中的滑移置换机制发生的，其中每两个相邻的原子层沿着1/6 <1$\bar{2}$10>方向滑移，并伴随着原子重排[3]。

在钛合金中，FCC相工程已被证明是一种有效的微观结构策略，可以实现强度和延展性的协同提升[8]。Wang等人通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术将FCC相引入TC4合金中，使压缩强度提高了70%以上，同时不牺牲延展性，从而展示了显著的强化和加工硬化潜力[19]。在变形的FCC Ti相中观察到了高密度的位错和变形孪晶，这可以归因于FCC结构的典型特征，包括多个滑移系[20]和较低的堆垛错能（约20-25 mJ·m^?2）[21,22]。这些特性显著增强了位错存储和传输的能力，从而提高了加工硬化率。FCC Ti相的形成主要受成分和加工条件的控制。氧作为一种关键的间隙元素，在凝固过程中通过局部富集稳定了FCC结构，抑制了HCP相的形成[23]。同时，增材制造固有的高冷却速率和显著的残余应力为这种相变提供了必要的热力学驱动力。基于这些原理，Ding等人在增材制造的Ti-0.67O合金中成功实现了高体积分数的层状FCC Ti相（23.5 ± 4%），获得了优异的机械性能组合，抗拉强度为1119.3 MPa，伸长率为23.3%[24]。显然，FCC Ti相的工程化不仅促进了变形孪晶和堆垛错的形成，从而便于变形协调，还通过位错积累和传输增强了加工硬化率，为开发高性能钛合金提供了关键途径。

如上所述，从HCP Ti到FCC Ti的转变是一种应力诱导的相变，这一点通过纯钛的原位TEM拉伸测试得到了证实[5]。通常，应力诱导的相变可以通过适应塑性变形和减轻局部应力集中来显著提高机械性能[25,26]，从而使材料能够适应复杂的机械加载条件。例如，在钛合金和钢中，通过应力诱导的马氏体相变激活TRIP效应可以有效提高延展性和加工硬化能力，从而实现强度和延展性的协同优化[27]、[28]、[29]。因此，研究应力诱导的FCC相变是否能够促进钛合金的强度和延展性的协同增强非常重要，从而开发出兼具高屈服强度（TRIP钛合金通常屈服强度较低）和高延展性（高强度钛合金的延展性通常低于8%）的钛合金，这是一个值得关注的研究问题。然而，在应力-应变过程中，由于尺寸效应，HCP α相和BCC β相之间的机械不兼容性变得更加显著。这会导致晶界处的应力集中，可能会优先引起位错堆积和裂纹起始[30,31]，而不是触发HCP→FCC相变。因此，关键挑战在于在塑性变形条件下可靠地触发这种应力诱导的相变。

因此，为了促进钛合金中的应力诱导FCC相变，本研究利用结构设计和α相形态控制策略，制备了一种新的微观结构，其特征是棒状α_r沉淀物优先分布在层状β晶界附近。层状β相通过位错滑移逐渐适应外加载荷，而棒状α_r相则作为有效的滑移屏障，从而抑制了滑移带的长距离和无控制传播。这些棒状α_r相与拉伸方向的平行排列有助于减轻α/β界面处的应力集中，为激活应力诱导的FCC相变创造了有利条件。这种策略使开发的钛合金具有高达1421 MPa的极限抗拉强度和约12.8%的延展性，实现了优异的强度-延展性协同效应。这项工作为钛合金中应力诱导FCC相变的实际应用提供了新的见解，并提出了一种开发具有平衡机械性能的结构材料的有前景的策略。

部分摘录

合金熔炼

在本实验中，使用海绵钛（99.9 wt.%）、钼（99.95 wt.%）、铌（99.95 wt.%）、铬（99.95 wt.%）、铝（99.99 wt.%）和锆（99.7 wt.%）作为原料，在真空悬浮熔炉中制备了Ti-7Mo-3Nb-3Cr-1Al-2Zr（wt.%）合金。铸态锭被加工成φ60 mm × 120 mm的圆柱形状。通过差示扫描确定了合金的β转变温度（T_β）约为770 ± 5 °C

FBD-L和FTD-E样品的初始微观结构

图2展示了FBD-L和FTD-E样品的微观结构特征。在FBD-L样品中观察到三种不同的α相形态，即在过共晶锻造过程中形成的棒状α_r和等轴α_e，以及在空气冷却过程中在β基体中沉淀的纳米级针状α_s，如图2(a)所示。β晶粒内的高累积应变促进了大量低角度晶界（LAGBs）的形成

延展性的内在机制

图4(a)中的拉伸应力-应变曲线表明，FBD-L样品的延展性显著提高（ε ≈12.8 %），而FTD-E样品的延展性为ε ≈6.8 %。这种塑性的提高不仅归因于均匀伸长的显著增加（从3.8%增加到5.5%），还归因于非均匀伸长的显著增加（从3.0%增加到7.3%），如图4(b)所示。导致高塑性的内在机制涉及应变兼容性的提高

结论

这种设计策略的关键在于在层状β晶粒的上部和下部界面附近沉淀水平分布的棒状α_r相，从而实现了强度和延展性的优异组合。这种策略的卓越性能归因于这些α_r相的“屏障”效应，它们显著阻碍了位错的运动，并促进了FCC相变和应力-应变的重分布。

CRediT作者贡献声明

张畅：撰写——原始草案、研究、可视化、数据管理、正式分析。张书志：方法论、概念化、数据管理、撰写——审阅与编辑、资金获取。卢畅：数据管理。史志林：正式分析、数据管理。张泽辉：正式分析、数据管理。张长江：研究。杜兆新：资金获取。张俊松：研究、监督。梁顺星：资源提供。张新宇：撰写——审阅

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