編輯推薦：設(shè)計具有高強度和高塑性的合金仍然是一個難題。作者通過激活不同的轉(zhuǎn)變機制控制非均勻析出相的微觀組織來設(shè)計增強增塑的多相合金。文章以一種兩相鈦合金為例，首先進行了相場模擬，設(shè)計了包括常規(guī)形核生長機制和非常規(guī)旋點分解機制的熱處理工藝，并利用晶體塑性有限元模型對計算得到的組織進行了評估。根據(jù)模擬結(jié)果，對Ti-10V-2Fe-3Al進行兩步熱處理，得到α+β雙峰組織。進一步的力學(xué)試驗表明，與單峰合金相比，合金的延性提高了約50%，強度提高了約10%。本研究為通過多尺度微觀組織設(shè)計提高合金力學(xué)性能提供了一種通用的方法

高度非均勻的多晶微觀結(jié)構(gòu)（例如，微米級晶粒和納米顆粒的混合物）或梯度微觀組織已被證明具有強度和塑性的良好匹配。通過熱加工已生產(chǎn)出具有高度非均勻沉淀微觀組織的鈦合金，顯示出高強度和高延展性，但其成本高且復(fù)雜。合金化和熱處理是通過改變微觀組織來設(shè)計和優(yōu)化鈦合金力學(xué)性能的重要方法。最近，非均均晶粒組織和復(fù)合材料的性能優(yōu)化設(shè)計理念已被用于調(diào)整Ti合金的微觀組織。

來自西安交大和中科院金屬所等單位的研究者通過結(jié)合相場模擬、晶體塑性有限元建模（CPFEM）和實驗，基于β+α相的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了一種簡單有效的鈦合金力學(xué)性能改進方法。相關(guān)論文以題為“Heterogeneous precipitate microstructure in titanium alloys for simultaneous improvement of strength and ductility”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.025

圖1 CPFEM計算了不同時效后Ti-V合金在室溫下不同取向的真應(yīng)變-真應(yīng)力曲線(x = [101]， y =[1-2-1])，“+”表示張力，“-”表示壓力。

兩種不同顯微組織沿不同取向真應(yīng)變應(yīng)力曲線(S-S)的CPFEM結(jié)果表明雙重時效產(chǎn)生的非均勻微觀結(jié)構(gòu)的各取向都具有較高強度和穩(wěn)定性，有利于同時提高強度和塑性。

圖2不同熱處理后材料Ti-1023樣品的實驗結(jié)果。

很明顯，隨著強度-塑性曲線向左上角移動，雙重時效后的性能得到了優(yōu)化，同時提高了強度和塑性。基于雙重時效后具有非均勻微觀結(jié)構(gòu)的Ti1023力學(xué)性能在強度和塑性方面比先前報道的Ti55531取得了更好的匹配性。

圖3TEM觀察雙重時效后不均勻析出相的微觀組織和位錯分布。

粗α析出相中的形變孿晶可能降低了α/β界面的應(yīng)力集中，在α相和β相之間產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，提高塑性。據(jù)推測，細α和某些粗α變體有助于位錯積累引起的強度增加，在某些粗α變體中則是形變孿晶α有利于協(xié)調(diào)變形和延遲裂紋的萌生，使其具有良好綜合力學(xué)性能。

圖4CPFEM研究Ti-V系均勻和非均勻組織在室溫下沿[101]方向拉伸變形10%延伸率后的VonMises應(yīng)力和真實應(yīng)變

圖5CPFEM研究了Ti-V系均勻和非均勻組織在[101]方向拉伸變形0.5%、5%和10%伸長率后的Von Mises應(yīng)力和真實應(yīng)變。

與由于交叉高應(yīng)變帶的連續(xù)性和位錯運動的阻礙而導(dǎo)致的具有細α析出相均勻微觀組織的過早斷裂相比，這種低延展性在非均勻微觀組織中不會發(fā)生，因為粗α析出相不僅破壞了交叉高應(yīng)變帶的連續(xù)性，而且還觸發(fā)了孿生，在一定程度上緩解了應(yīng)力不匹配。此外，具有應(yīng)力分散的粗α析出相可以看做為大量細α析出相，避免了應(yīng)力集中，但比細α沉淀物具有更多的位錯纏結(jié)，從而提高了強度。

總而言之，這項工作提出了一種簡單有效的方法，通過相場模擬，CPFEM和實驗來解決Ti合金中實現(xiàn)強度-塑性協(xié)同增強的長期難題。為設(shè)計Ti1023材料中良好的綜合力學(xué)性能而設(shè)計的雙重時效，這項工作可以為具有更好綜合性能的新型Ti合金的設(shè)計和開發(fā)提供方向。