传统钛合金强度和塑性的不平衡限制了其应用。本文设计了一种新型的高强高塑性钛合金，抗拉强度1092 MPa，屈服强度870 MPa，延伸率为41%，超高应变硬化率2.5GPa。强塑积高达前所未有的（unprecedented）45 GPa%。这些优异的力学性能归因于在拉伸变形过程中应力诱导的纳米级层状孪晶结构。

金属合金在不降低强度的前提下，增加延展性可以有效提高其应用性能并改善制造工艺。近年来，将结构设计方法应用于金属材料，开发具有优异强塑性协同效应的材料方面取得了显著的成功。然而，纳米结构金属的生产效率通常很低，而且通常很难或不可能制备大尺寸的金属制品。为了克服这些限制，进一步探索同时具有高强度和高塑性的粗晶单相金属的成分设计具有重要的意义。

钛合金是一种重要的结构金属，由于其密度低、比强度高以及能够通过加工来控制其性能，已被广泛应用于各种应用领域。不幸的是，传统的钛合金通常表现出较低的延展性(<20%)，有限的应变硬化，并且在强度和塑性之间存在较大的不平衡差异。大大的限制了在高性能和安全应用中的潜在使用。

固溶强化是提高金属合金屈服强度的常用策略。对于体心立方β-Ti合金，β稳定溶质元素可分为β同晶和β共析。β相稳定性的经验指标Mo当量([Mo]eq)与β-Ti合金的塑性变形密切相关。每种合金元素所提供的固溶强化作用也不尽相同。这是由于溶质原子与Ti固溶体之间的相互作用不同所致。因此，β相的稳定性水平和合金元素的选择直接影响到设计合金的最终力学性能。

近日，来自北京航空航天大学等单位的一项最新研究设计了一种高强度、高塑性的单相β钛合金，屈服强度达到870 MPa，延伸率为41%，还具有2.5GPa的超高应变硬化率。相关论文以题为“Simultaneously enhanced strength andductility in a metastable β-Ti alloy by stress-induced hierarchical twin structure”发表在《Scripta Materialia》。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.03.039

在这项工作中，研究人员首先根据Mo当量方程，考虑其相对稳定强度，稳定β的Mo、Cr、Fe元素均具有较强的固溶强化作用。Mo+Fe或Cr+Fe的联合添加比单独添加每种元素提供的强化要大得多。对于所设计的合金，用成本较低的Fe和Cr部分取代了原型Ti-12Mo合金中的Mo，开发了一种新型的Ti-12Mo合金，具有高屈服强度的四元Ti+Mo+Cr+Fe合金。此外，还利用分子轨道理论和Mo当量确定了各元素的相对浓度。对于分子轨道理论方法，通过调整键级(Bo)和d轨道能级(Md)来确定合金的位置。以孪晶变形为主的区域，同时也考虑到较大的Bo或较小的Md赋予较高的稳定性。同时，对合金的[Mo]方程进行了设计。

图1. Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金固溶处理后的显微组织

图2. 经β固溶处理的Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金的力学性能

图3. Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金在2.5%应变(a)(b)和10%应变(c)(d)后的显微组织

图4.应变10%的试样透射电镜分析(a) {332}<113>孪晶的亮场图像；(b)和(c)显微结构的放大观察；(d)SAED图案沿[113]β区轴形成；(c)中的黄色圆圈区域；(e)由(d)中的黄色圆圈标记的反射所得的暗场图像；(f)层次结构示意图。

这项研究成果通过控制β合金的稳定性和变形机制，合理选择合金稳定性和合金元素，设计了一种新型的高强高塑性亚稳βTi-4Mo-3Cr-1Fe合金。经β固溶处理的合金具有优异的力学性能，极限抗拉强度为1092 MPa，屈服强度为870 MPa，塑性优良，总延伸率为41%，超高应变硬化率为2.5GPa。该产品的强塑积是前所未有的，高达45 GPa%。基于形变显微组织的非原位研究发现，这些优异的力学性能归因于在拉伸变形过程中应力诱导的纳米级层状孪晶结构。Ti-4Mo-3Cr-1Fe合金具有优异的综合力学性能，在先进的结构应用领域具有巨大的潜力，本研究提出的合金设计策略可能有助于未来高性能β-Ti合金的发展。（文：冯冯）

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。