亚稳β钛合金合金具有高比强度、良好的耐腐蚀性、低模量和出色的生物相容性等优异的性能，被广泛应用在石油化工、航海、航空航天等众多国民经济领域。特别是，单相亚稳β钛合金具有强度和腐蚀抗力的优异联合，近年来一直是行业内的研究热点。但迄今为止，针对单相合金的强化手段（例如固溶强化和细晶强化）对力学性能的提升仍然有限，这导致单相亚稳β钛合金具有较低的屈服强度，限制了其进一步的工程产业化应用。

针对上述问题，西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队博士研究生张崇乐、张金钰教授、刘刚教授和青年教师匡杰以d电子轨道理论设计合金成分，在保持单相固溶体的情况下构建出两种异质结构，进一步提升了单相亚稳β钛合金的综合力学性能。在成分设计上，考虑到合金的变形机制决定其宏观力学性能，因此设计出同时具有位错滑移和变形孪晶的合金成分，以期望通过位错滑移提供高强度，变形孪晶提供大塑性。在结构设计上，利用晶粒再结晶过程的动态性，以热轧辅以短时固溶处理，控制微观结构异质性（晶粒尺寸和位错密度），巧妙构筑出表层再结晶+芯部非再结晶的异质层状结构（HLS）和表层再结晶+芯部部分再结晶的异质双峰结构（HBS）。随后，从异质结构软硬区的协同变形效应对变形孪晶/位错滑移的激活和力学性能进行了深入的分析。研究结果表明，与传统的GEG（再结晶等轴晶粒）钛合金相比，具有最高背应力的HBS钛合金表现出最高的强度，而HLS钛合金表现出强度和延展性的最优结合。此外，位错滑移首先发生在HLS钛合金中，而孪晶首先发生在HBS和GEG钛合金中，这分别与预先位错密度和孪晶触发的尺寸效应密切相关。进一步证明位错工程和异质结构设计的结合可使亚稳β钛合金具有出色的强度-延展性平衡。最后，在本构模型中引入晶粒尺寸和位错密度的异质分布，并联合塑性变形过程中软硬区的各向同性硬化和随动硬化，合理解释了异质结构引起的性能提升，如图1所示。与先前报道的单相亚稳β钛合金相比，精心设计的异质结构和变形机制的组合（孪晶+滑移）使目前的HLS和HBS钛合金力学性能均优于传统的等轴β钛合金，如图2所示，并为单相合金的强韧化提供了一种新途径，可适用于其它单相合金体系并具有极大的工业应用潜力。

图1.提出的本构模型对屈服强度和应力应变曲线的拟合

图2.单相异构亚稳β钛合金室温力学性能与已报道单相β钛合金的性能对比

相关成果以“Achieving superior strength-ductility balance in a novel heterostructured strong metastable β-Ti alloy”为题在国际顶级力学期刊International Journal of Plasticity上发表。我校金属材料强度国家重点实验室为通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、111计划2.0等项目的共同资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641921001947