重磅！登顶《Science》封面！具有超高强度和延展性纳米孪晶钛

导读：纳米结构金属通常很坚固，因为内部边界的超高密度限制了位错的平均自由程。但由于加工硬化能力减弱，它们也更脆。本文展示了一种体纳米结构方法，该方法在无溶质和粗晶钛 (Ti) 中产生多尺度、分层孪生结构，并显著提高了拉伸强度和延展性。纯钛在 77 k下实现了接近 2 GPa的极限拉伸强度和接近 100% 的真失效应变，且多尺度孪晶结构的热稳定性高达 873 K，高于极端环境中许多应用的临界温度。

钛 (Ti) 在所有金属元素中具有最高的强度重量比，除了出色的耐腐蚀性外，还使其成为各种对重量和环境敏感的承重应用的理想选择 。然而，纯钛的强度适中。硬化 Ti 的一种方法是将其与其他元素（例如氧 (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调整晶粒尺寸。具体而言，减少结晶粒径为亚微米和纳米范围导致了屈服强度大幅提高，而引入的某些类型的接口时，延展性得以保存。在这方面，过去二十年见证了纳米孪晶金属的成功发展。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的情况下大大提高强度 。这一观察结果归因于孪晶界的相干性质，它可以阻止和传输传入的位错，这取决于它们的特性，从而分别提供强度和延展性 。

具有梯度微观结构的纳米孪晶铜由于具有额外的加工硬化能力而表现出更高的强度 ，而高度取向的纳米孪晶铜由于不同的位错路径而表现出增强的抗疲劳性 。纳米级孪晶代表结构金属的最佳特征。然而，以具有成本效益的方式将这些特征设计成材料并非易事。传统上，这可以通过“自下而上”的方法，例如电沉积 和溅射或严重的塑性变形 来实现。然而，几乎所有这些方法都已在 fcc 金属中成功实现，主要用于铜和钢 ，而对六方密堆积 (hcp) 金属一直具有挑战性。这一挑战扩展到在大块样品中创建纳米孪晶结构而不产生不利残余应力的通用方法。

在此，来自美国加州大学伯克利分校、北京航空航天大学等单位的研究人员，展示了一种块体纳米结构方法，在六方封闭、无溶质、粗晶钛(Ti)中产生多尺度分级孪晶结构显著提高了抗拉强度和延展性。将低温机械变形材料在中间温度 (673 K) 下热处理（回火）1 小时，这在不引发额外晶粒粗化的情况下释放了不希望的残余应力。相关论文以题为“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”发表在Science上。与此同时，这篇文章登上了同期《Science》的封面。

论文链接：

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

纳米孪晶钛与许多其他钛合金的不同之处在于其低温性能，具有吸引人的强度和延展性，甚至比高强度 Ti-6Al-4V 合金还要好。这表明纳米孪晶钛是低温应用的有力候选者。一些例子包括超导磁体的挡圈、液化天然气储罐的结构部件以及暴露于深海和深空环境的材料。从历史上看，这些都是低温钢的应用，例如奥氏体 18Mn-5Cr和 32Mn-7Cr-0.6Mo-0.3N 合金和铁素体 Fe-9Ni 合金。纳米挛晶 Ti 在强度和延展性方面都优于这些材料，密度仅为其一半。

图1 低温加工制备的纳米孪晶钛的分层微观结构。

（A）产生块状纳米孪晶钛的低温加工过程示意图。（B）显示纳米孪晶结构的方向图。（C）纳米孪晶网络的 TEM 显微照片。( D ) 原子分辨率图像。（E和F）低温加工过程后（E）纳米孪晶在室温下的图像和（F）在 673 K 下原位 TEM 退火 1 小时后相同区域的图像，显示孪晶结构的稳定性以及应变的弛豫来自其他内部缺陷的字段。( G ) 用 TEM (蓝色) 和 EBSD (绿色和黄色) 确定的分级微观结构的统计尺寸分布

图2。分级纳米结构钛的力学表征。

( A ) 标称应变速率为 10 -3 s –1 时的真实应力与真实应变曲线以及与其粗晶粒对应物的比较。( B ) 应变硬化率与真实应变的对应图。( C ) 77 K 的塑性变形阶段与由剪切模量归一化的应变硬化率图一起示意性显示，θ/ G = ( d σ/ d ε)/ G，作为由屈服应力归一化的流动应力的函数。归一化应变硬化率与归一化流变应力曲线清楚地表明存在多个塑性变形阶段。（插图）不同阶段的特征变形特征。

图3。纳米孪晶钛的微观结构演变。

（A到F）在高达 35% 工程应变的渐进应变水平下在感兴趣区域中捕获的方向图（与图像质量重叠）。( G到L ) 相应的晶界错位图显示了两个特征孪晶界的演变。( M ) 长度分数的演变，孪晶界以及总孪晶界的比例(A) 到 (L) 中仅显示了一部分数据。

图 4。纳米孪晶钛的热稳定性。

( A ) 原位 TEM 加热实验表明纳米孪晶网络（白色箭头）在高达 600°C (873 K) 的温度下是热稳定的。( B和C ) 在 700°C (973 K) 以上，孪晶界面的对比度逐渐变弱。( D ) 在 850°C 左右，氧化物薄片开始出现在基体中。（E）作为温度函数的纳米孪晶 Ti 的屈服强度以及与粗晶材料的比较。（F）EBSD IPF 映射和（H）所制造的纳米孪晶钛的相应核平均取向差（KAM）映射。( G ) IPF 和 ( I) 在 400°C 下退火 48 小时的同一样品（在相似的感兴趣区域）的 KAM 图。

由于在液氮温度下大量孪晶而增强的加工硬化能力表明纳米孪晶 Ti 可能在更高的应变速率下显示出高抗冲击性 ，因为 hcp 金属中的孪晶也可以通过减少变形时间尺度来促进. 纳米孪晶钛还可能具有良好的辐射损伤耐受性，因为大量的纳米孪晶边界为通道点缺陷提供了高密度的界面，从而防止了空隙的形成。此外，纳米孪晶钛的热稳定性使其适用于高达 873 K 的温度，这与许多工业发电厂的应用相当，并且适用于燃气涡轮发动机的较低温度区域。此外，与具有相似机械性能的重合金化、非常昂贵的高熵合金相比，纳米孪晶 Ti 中不涉及合金元素。这使其成为一种“更简单”的合金，具有经济吸引力且易于回收。所有这些有利因素使纳米孪晶钛不仅具有科学意义，而且是一种潜在的工业产品。

总之，本文介绍了一种直接有效的方法来生产热稳定的块状纳米孪晶 Ti。这种材料的机械性能，特别是其强度和拉伸延展性，在从环境温度到低温温度都有很大程度的提高。多尺度孪晶结构的引入有效地细分了原始晶粒并显着改善了位错的平均自由程。随后，在多轴锻造过程中产生的拉伸和压缩孪晶可以继续孪晶、解孪晶和再孪晶，从而提高加工硬化能力。因此，不均匀塑性流动被推迟。这种特性的组合表明，这种纳米孪晶钛可以应用于广泛的应用，尤其是那些涉及极端温度的应用。