Science封面：低温锻造纳米孪晶钛以实现超高强度和延展性

背景介绍

钛(Ti)在所有金属元素中具有最高的强重比，它除了具有优异的耐腐蚀性外，还适合于各种对重量和环境敏感的应用环境。而纯Ti的强度则比较一般。Ti的一种硬化方法是将其与其他元素如氧(O)、铝(Al)和钒(V)合金化，形成固溶体或第二相。这些合金的强度有所提高，但几乎总是以牺牲延展性为代价。

强化结构金属的另一种途径是通过热-机械加工来调节晶粒尺寸。具体来说，将晶粒尺寸减小到亚微米和纳米级，可使屈服强度大幅度提高，而引入某些类型的界面，则可保持延性。对面心立方(fcc)金属的大量研究表明，孪晶可以在不牺牲抗断裂性能的前提下，大幅度提高强度。这种性能的提升归因于孪晶界的相干性，它可以根据位错特性来选择性的阻断或传输入射位错，从而分别提供强度和延展性。通过调节孪晶片层间距和取向，可以进一步优化力学性能。具有梯度组织的纳米孪晶铜由于额外的加工硬化能力而表现出更强的强度，而高度取向的纳米孪晶铜由于位错路径的不同而表现出更强的抗疲劳性能。双边界也代表了低能边界，在高温下的迁移率大大降低。这种性质使它们比随机的高角度晶界更稳定。因此，纳米孪晶是结构金属的最佳特征，然而通过热-机械加工得到的纳米孪晶成本较高。同时，几乎所有的fcc金属，主要是在铜和钢，都可以通过热-机械加工方式提高强度和延展性，而推广到密排六方(hcp)金属则很难实现。

成果简介

近日，加州大学伯克利分校、北京航空航天大学赵士腾团队报道了一种低温锻造加工技术，可以在纯Ti (质量分数为99.95% Ti和0.05% O)中生成有层次结构的纳米孪晶。由于O会抑制Ti中的孪晶，因此作者选择超低O含量(低于商用纯Ti )来促进孪生倾向，从而实现了超高的强度和延展性。多尺度纳米孪晶Ti的热稳定性高达873开尔文（远高于纯Ti的77开尔文），因此可应用于绝大多数的极端环境中。作者发现，液氮温度下大量孪晶强化了加工硬化能力，说明纳米孪晶Ti在较高应变速率下会表现出较高的抗冲击性能。由于丰富的纳米孪晶边界为沟道点缺陷提供了高密度的界面，从而阻止了空洞的形成纳米孪晶Ti，因此还具有良好的抗辐射损伤能力。本工作使用经济效益更高的方法在纯Ti中诱导合成了纳米孪晶，实现了超高的强度、热稳定性和延展性。相关成果以题为“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”发表在了Science上，并被选为Science封面。

图文解析

一、低温机械制备纳米孪晶Ti的微观结构。

本工作在纯Ti(质量分数为99.95% Ti和0.05% O)中，通过低温力学过程诱导的大量力学孪生，可以构建层次纳米孪晶结构。电子背散射衍射(EBSD)图谱（图1B）显示了多轴锻造Ti中复杂的多尺寸孪晶结构。从图中仍可以看出初始等轴晶组织，但经低温机械处理后，每个晶粒都含有大量的荚状孪晶。这些变形特征，通过一个冷冻机械过程引入，在随后的热处理过程中得以保留。在透射电子显微镜(TEM)显微照片中可以观察到一组特征纳米孪晶，其中在高分辨率原子晶格图像中突出了孪晶界。纳米孪晶往往可以相互交叉，形成一个复杂的孪晶网络。TEM图像显示了673K回火步骤前后相同的纳米孪晶结构。样品在673K保温1h后，纳米孪晶结构被保留，但由于残余应力应变松弛，孪晶内部的应变对比度减弱。本工作进一步用TEM原位退火前后计算的纳米束衍射应变图的定量分析来说明这种应变弛豫，这些多尺度结构的统计尺寸分布(图1G)显示了一个宏观尺度的随机分布的等轴在几十到几百微米，微观尺度的孪晶骨架在几微米，纳米尺度的孪晶网络在几十到几百纳米。

图1. 低温力学制备纳米孪晶Ti的层次化微观结构

二、纳米孪晶Ti的力学性能。

本工作在室温(RT)和低温(77 K)温度下，使用单轴拉伸试验来表征多尺度孪晶结构带来的力学性能提升。作者验证了纳米孪晶Ti的应力-应变响应，并与常规粗晶Ti(晶粒尺寸为~100 mm )进行了比较。RT时，纳米孪晶Ti的抗拉强度为500 MPa，拉伸延性(应变至失效)为~70%，与粗晶Ti相比分别提高了~50MPa和~ 17%。该材料的屈服强度既受局部纳米孪晶区位错平均自由程的减小所控制，也受晶粒相对粗大的基体所控制，因此其霍尔-佩奇强化不如纳米晶Ti，但其加工硬化能力要高得多。在77 K时，纳米孪晶Ti的力学性能进一步提高，拉伸强度为~2 GPa，拉伸塑性接近100%。纳米孪晶Ti的超高强度和延展性使其优于许多Ti合金甚至某些低温钢。从典型的纳米孪晶网络可以看出，位错密度的增加和纳米孪晶网络的细化间距对后续孪晶产生了更高的激活应力，从而增加了流动应力。从宏观上看，这表现为应变硬化速率上升后的平台延长。在塑性变形的最后阶段，应变硬化速率迅速下降，这一阶段的微观组织与严重的晶粒细化有关，特别是在变形局部化阶段。在颈缩区附近拍摄的TEM显微照片(图2F)显示了高密度的等轴晶粒，晶粒尺寸为~300 nm。尽管产生了较高的流动应力，但这些超细晶粒使位错活动和孪晶难以操作，从而危及应变硬化能力。

图2. 纳米孪晶Ti的力学性能表征

三、纳米孪晶Ti的微观结构演化。

本工作利用准原位EBSD表征，捕捉到了纳米孪晶Ti的孪生、去孪生、再孪生的演化过程，来表征纳米孪晶Ti诱导塑性的机理。本工作总结了各类型孪晶的长度分数和总孪晶边界。在总孪晶数量快速增长后，连续孪晶和脱孪晶的结合和竞争使孪晶分数在微尺度上的增长速度大大降低。然而，即使在微尺度孪晶组分饱和(~70%)时，纳米孪晶密度似乎仍在不断增加，直到塑性变形结束时严重的孪晶交叉和孪晶界旋转开始发挥作用，这可以从TEM中很明显观察到。出现该情况的原因可归结为两点：首先，纳米孪晶的比例仍在增加，超出了准原位EBSD分析所能解决的范围；其次，晶粒内的双孪结进一步细化晶粒尺寸，从而产生更多的界面，阻碍位错运动。尽管如此，这两种机制都导致了动态的霍尔-佩奇效应，使得移动位错受到相对刚性界面的约束，使其具有更高的抗塑性变形能力。

图3. 纳米孪晶Ti的微观结构演化

四、纳米孪晶Ti的热稳定性。

为了进一步了解纳米孪晶Ti的热稳定性，本工作进行了原位透射电镜加热实验。一般来说，纳米晶体金属在高温下稳定性会逐渐下降，因为在奥斯特瓦尔德成熟过程中，晶粒生长会消耗大量的界面。因此，通常与材料熔点成正比的标志晶粒粗化开始的温度，会最终限制这类纳米晶体金属的有用服役温度。由于Ti在结构金属间具有相当高的熔化温度(1941K)，因此作者推断纳米孪晶结构的有用性依赖于Ti的热稳定性。原位TEM加热实验表明，纳米孪晶结构热稳定高达873 K。然而，由于样品为薄的电子透明箔，进一步加热会导致氧化。在1123K左右，严重的氧化开始蔓延，但纳米孪晶网络仍然保持其相对完整性。通过原位退火和EBSD分析可进一步证实TEM加热实验结果。作者发现，纳米孪晶Ti在673 K下加热48小时，既没有明显的晶粒生长，也没有明显的孪晶界数减少。局域核平均取向失配图表明，退火样品(图4I)晶粒内的取向偏差相对较低，这说明几何必需位错密度降低。纳米孪晶Ti具有良好的热稳定性，能够在高温下保存层次化的微观结构，表明该材料具有在较宽温度范围内工作的能力，在大部分传统的Ti基合金适用范围内，纳米孪晶Ti均适用。

图4. 纳米孪晶Ti的热稳定性表征

第一作者：赵士腾

通讯作者：赵士腾、Andrew M. Minor

通讯单位：加州大学伯克利分校

论文doi：

https://doi.org/10.1126/science.abe7252

本文由温华供稿。